傅里葉光場顯微成像技術—2D顯微鏡實現3D成像

摘要：近年來，光場顯微技術的應用越來越廣泛，針對光場顯微鏡的改進和優化也不斷出現。目前市場各大品牌的2D顯微鏡比比皆是，如何在其基礎上實現三維成像一直是成像領域的熱門話題，本次主要討論3D成像數字成像相機的研究，即3D光場顯微鏡成像技術，隨著國內外學者通過研究提出了各種光場顯微鏡的改進模型，將分辨率、放大倍數等重要參量進行了顯著優化，大大擴展了光場顯微技術的應用領域。同時，由于近年來微型化集成技術的發展，微型化光場顯微技術也逐漸成為國內外學者研究的熱點。

1. 傅里葉光場顯微成像技術在國內外的發展

2014年，Rober等人在核熒光顯微鏡的像平面上放置了一個微透鏡陣列，構建了一個光場反卷積顯微鏡(LFDM)裝置，如圖1所示。為了克服LFM中軸向和橫向空間分辨率之間的權衡，研究團隊通過利用記錄數據的混疊并使用適用于LFM的3D反卷積算法，有效地獲得了改進的橫向和軸向分辨率，蕞終在生物樣品內部的橫向和軸向維度上，分別實現了高達約1.4μm和2.6μm的有效分辨率。

圖1

2019年，我國的學者團隊通過改變微透鏡陣列與透鏡和圖像傳感器之間的相對位置，使微透鏡陣列遠離了光學系統的本征像面，首次提出了高分辨率光場顯微鏡（HR-LFM）概念，有效避免了傳統光場顯微鏡產生的重建偽影。同時由于微透鏡陣列的移動，圖像傳感器不再記錄原始像平面處的圖像混疊，大大提高了成像分辨率，如圖2所示。

圖2

這一裝置廣泛應用于活體細胞成像，三維分辨率為300nm-700nm，成像深度為幾微米，體積采集時間為毫秒級。該方法可以將線性調頻作為一種特別有用的工具，在多個時空水平上理解生物系統。此后隨著光場顯微技術的快速發展，光場顯微鏡產生了更多類型的演變，如圖1-7所示。研究人員通過在微型顯微鏡平臺上引入光場顯微鏡（LFM），構建了微型化光場顯微鏡（MiniLFM），證明了單次掃描體積重建，如圖3所示。這是通過將微透鏡陣列（MLA）與光場反褶積算法相結合，將微透鏡陣列（MLA）引入到現有的微型鏡平臺上。然而，這種設計在多個深度上存在橫向分辨率不均勻的問題。

圖3

2. 微型化集成技術的發展

光學顯微鏡是一種在很大程度上抵制集成的技術，它通常仍然是一種體積龐大、價格昂貴的桌面儀器。在神經科學中，顯微技術在活體動物身上得到了廣泛的應用，但是傳統顯微鏡的局限性阻礙了腦成像實驗的范圍和規模。2011年，KunalKGhosh等人首次提出了光場熒光顯微鏡的微型化集成，如圖4所示。

這是一種微型集成熒光顯微鏡，由大量可生產部件制成，包括半導體光源和傳感器。該設備能夠在活躍的老鼠身上進行0.5mm3的高速細胞成像。與高分辨率光纖顯微鏡相比，這一設備在光學靈敏度、視野、分辨率、成本和便攜性方面具有優勢。

圖4

傳統的光場顯微鏡（LFM）同時捕獲入射光的二維空間和二維角度信息，能夠通過單個相機計算重建樣本的完整三維體積信息，如圖5所示。對于傳統的線性調頻，將微透鏡陣列（MLA）放置在寬視場顯微鏡的本征像面（NIP）上，并且光學信號以混疊方式記錄在MLA后焦平面的微透鏡上，但線性調頻的空間信息采樣模式是不均勻的，導致了重建偽影的出現。除此之外，體積重建采用波光學模型的PSF反褶積。傳統線性調頻的PSF在橫向和軸向尺寸上都是空間變化的，這增加了計算成本，使得重建相當慢，不利于快速觀察動態或功能數據。

圖5

傅里葉光場顯微鏡通過在透鏡和微透鏡陣列之間插入一個新的光學透鏡，首次將光學變換從時域轉入傅里葉域（FD），如圖6所示。在傅里葉頻域光學系統中，所有信號都可以看做不同正弦函數的疊加，因此這一光學透鏡的引入可以將入射光波變成不同頻率的單色平面波的線性組合，由于不同單色平面光具有不同的系數，即復振幅，因此后焦面上不同坐標的光強分布，對應入射光波分解成的不同頻率單色光波的功率，即位置坐標和光的頻率是一一對應的。來自中繼像面處圖像的光場被傅里葉透鏡轉換為傅里葉頻域下的光場，并與物鏡后瞳孔波前共軛，微透鏡陣列通過對波前分段，在單個透鏡后傳輸角度信息，從而使相機在不同區域輸出圖像。

圖6

傅里葉光場系統通過在傅里葉域（FD）中記錄4D光場，成像方案主要通過兩種方式對LFM進行變換。首先，FD系統允許以一致的混疊方式分配入射光的空間和角度信息，有效地避免由于冗余而產生的任何偽影。第二，由于FD以并行方式處理信號，因此可以用統一的三維點擴展函數來描述圖像形成，從而大大減少了計算成本。

3. 光場傳播和成像模型

結合光場顯微技術和傅里葉變換理論的有關知識，微型化傅里葉光場顯微鏡的設計是在光場顯微鏡的基礎上引入一個新的光學透鏡，這一透鏡放置的位置應遠離像平面NIP處，同時應放置在主透鏡和微透鏡陣列之前；根據微型化的實際需要，本次選用的物鏡系統是折射率呈梯度變化的自聚焦透鏡GRINlens。由此可以初步得出微型化傅里葉光學系統的主要光學結構如圖7所示，這也是光場傳播和成像的主要路徑。

圖7

4. 光路設計

傅里葉光場顯微鏡是在改進后的高分辨率光場顯微鏡的基礎上，在透鏡和微透鏡陣列之間插入一個新的透鏡，該透鏡能將光場從時域轉換成頻域，起到傅里葉變換的作用。為了實現微型化，物鏡系統采用GRINlens實現，具體的光路原理圖如圖8所示。

圖8

5. 機械系統整體結構設計

本設計的光學外殼是基于傅里葉光場顯微鏡的微型化而產生的。隨著微型化集成技術的不斷發展，越來越多的學者團隊開始研究將光場顯微技術與微型化技術進行結合，也由此設計出了適用于不同光路的微型化結構模型。如圖9所示，一學者團隊利用GRINLENS作為物鏡系統，設計完成了一般光學顯微鏡和光場顯微鏡的微型化結構。通過調整各元器件的相對位置，盡可能壓縮整個微型化外殼的尺寸，在微型化的同時實現光路設計的預期功能。

圖9

基于這一研究成果，根據所設計的微型化傅里葉光場顯微鏡，在原有光場顯微鏡微型化外殼的基礎上，加入一個新的凹槽，用來安放新加入的傅里葉透鏡。結合前文設計好的各元器件的尺寸參數和相對位置，結合光路預期實現的功能，蕞終設計并完成了微型化傅里葉系統的光學外殼結構，具體尺寸及結構如圖10所示。

圖10

圖11

6. 總結

15年來，人們一直提出實施光場顯微鏡（也稱為全透視或整體顯微鏡）。光場顯微鏡能夠記錄厚樣品的3D信息，而無需執行多次拍攝。通過捕獲不同的視角并使用適當的算法，可以進行深度重建（關注不同的平面）并計算樣品寬度和長度上可區分部分的深度圖。隨著該技術進一步的拓展，應用已逐漸走向大眾并實現產品化，比如上海昊量光電代理的西班牙的DOIT 3D Micro相機如圖11所示，DOIT®（數字光學成像技術）基于全能信息捕獲的范式轉變。它設計不是在圖像平面附近捕獲信息（傳統技術可以這樣做），而是在傅里葉平面中捕獲信息。通過這種方式，可以直接獲得正交透視，而無需任何數字處理。此外，還避免了使用小微透鏡的要求，這避免了限制傳統全透鏡模式分辨率的波粒二象性，通過zui簡單的方法讓2D顯微鏡實現3D成像如圖12所示。

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