光场显微成像----整理

Posted 2020-12-07 jiaqif

光场概念：

空间中所有光线光辐射函数的总体，采集并显示光场就能在视觉上重现真实。全光函数（plenoptic function）是描述光场的数学模型。全光函数：F(x, y, z, θ, Φ, λ, t)，（x,y,z）表示观察者人眼的三维空间位置坐标，（ θ, Φ）表示光线进入观察者人眼的角度，λ为光的波长，t为时间。

简化的四维光场：

如果一条光线与两个平行平面（u, v）和（s, t）各有一个交点，则该光线可以用这两个交点唯一表示。

 

传统光学显微镜的局限：

景深较浅，想实现物体的三维重建需要进行层析扫描，该过程较慢，因此无法对快速动态过程进行实时成像（例如神经活动、细胞活动、线虫等生物行为），还可能导致光漂白和光毒性。

光场显微成像的优势：

具有快速、实时的三维成像能力，可以从一张光场照片中重建样本的三维信息，实现“一次成像，三维重建”。

结合计算成像的相关算法进行后期处理，光场显微给予了非拍摄者操纵光线、视角、聚焦位置的能力。

 光场显微成像的缺点：

空间分辨率和角度分辨率的折衷，为了获得角度分辨率，牺牲了一定程度的空间分辨率。但目前已有提升空间分辨率的解决方案。

光场显微成像的基本原理：

在成像端的native image plane上放置微透镜阵列，则sensor plane上接收到傅里叶域的频率信息，每个微透镜后覆盖N*N pixel，每个pixel接收不同的频率/角度分量。每个微透镜采集不同的空间信息，每个微透镜后的各个像素采集不同的角度/频率信息，因此可以捕获四维光场，基于四维光场数据，可以在一次曝光下，利用解卷积实现三维重建。

空间分辨率取决于：微透镜的数量

角度分辨率取决于：每个微透镜后覆盖的像素数

 

 

 

 

 

 

 

 点扩散函数（point spread function, PSF）:

可以理解为样本的单个体素（voxel）在sensor上的投影图案，成像结果就是样本和PSF的卷积。对于经典的光场显微成像，PSF是不均匀的，尺寸等于传感器的尺寸。

解卷积和三维重建：

经典算法Richardson-Lucy 迭代算法。

相空间光场三维重建：

相空间光场在硬件上和重建算法上和经典的光场显微成像没有区别，主要区别在于，经典的光场重建使用的是不均匀的PSF，同时利用了不同频率的信息，进行解卷积重建；而相空间光场，首先对像素进行“重排”，将各个频率分量分开，分别利用各频率分量进行三维重建。对于相空间光场，PSF尺寸更小、均匀（对于样本上轴向坐标相同的点（z相同），PSF是相同的），因此重建需要的计算资源更少、重建更快、伪影更小。

 最新发展：

 

 

 应用领域：

神经生物学、细胞生物学、生物发育过程监测、线虫和果蝇等行为监测。

主要是需要三维、快速成像的场合。

 

参考资料：

1.https://mp.weixin.qq.com/s/wn72KbfTwc4MzNxoOjSBKA

2.https://mp.weixin.qq.com/s/CQ5bwTXj_XXdBNg07pBiqg

3.Broxton M, Grosenick L, Yang S, et al. Wave optics theory and 3-D deconvolution for the light field microscope[J]. Optics express, 2013, 21(21): 25418-25439.

4.Lu Z, Wu J, Qiao H, et al. Phase-space deconvolution for light field microscopy[J]. Optics express, 2019, 27(13): 18131-18145.

5.Wang D, Xu S, Pant P, et al. Hybrid light-sheet and light-field microscope for high resolution and large volume neuroimaging[J]. Biomedical Optics Express, 2019, 10(12): 6595-6610.