结构光调制

2020-12-28 10:15:06 浏览:894

原理

二维结构光照明荧光显微镜突破衍射极限限制的关键不在于直接改变光学传递函数OTF 的大小,而在于改变照明光的样式,即采用特定结构的照明光代替恒定光强照明,在成像过程中把位于光学传递函数OTF 圆外的一部分高频信息转移到圆内,利用特定算法将移到 光学传递函数OTF 圆内的高频信息移回原始位置,从而扩展样品图像的频域信息,相当于间接扩展了光学传递函数OTF 的大小,使重构图像的分辨率突破系统衍射极限的限制的过程。

结构光的调制原理基于莫尔条纹原理。当用已知空间频率的空间光条纹去照射物体时,物体中不能被探测器接收到的高频信息则能够被间接测量到。结构光照明荧光显微镜一般采用余弦形式照明光。在照明光路中插入一个结构光调制器(如光栅、数字微 镜阵列 DMD或空间光调制器),照明光经光栅调制后再经过物镜投射到样品表面,形成余弦照明模式。当输入信号f(x) 被余弦形式照明光cosk0x调制时可得到:  

对g(x)进行傅里叶变换可得:

由上式可知,余弦信号对输入信号的调制作用,实际上是余弦信号起到了频谱搬移作用。因此当我们使用余弦结构光去照射样本时,样本的频谱调制产生频谱迁移,高频的信号会被迁移到低频区域,这就是结构光调制的基本原理。结构光照明显微镜就是利用照明结构光的频谱搬移作用,将物面的高频信息搬移到显微镜的光学传递函数截至频率内实现高频信息的间接获取,从而实现超分辨的显微成像方法[1-4]

图 1 结构光调制原理图[2]

常用的结构光调制器件:空间光调制器

原理

空间光调制器,其英文名称是spatial light modulator,即SLM。它是一种对光波的空间分布进行调制的器件,具有能实时的在空间上调制光束的功能,使其成为构成实时光学信息处理,光计算等系统的关键器件。空间光调制器含有许多独立单元,它们在空间上排列成一维或二维阵列。每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制,利用各种物理效应(泡克尔斯效应、克尔效应、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应等) 改变自身的光学特性,从而对照明在其上的光波进行调制。一般把这些独立的小单元称为空间光调制器的“像素”,把控制像素的信号称为“写入光”,把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”,经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光。形象的说,空间光调制器可以看作一块透射率或其它光学参数分布能够按照需要进行快速调节的透明片。显然,写入信号应该含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程, 称为“寻址”。

当前,SLM 的种类较多,主要可分为液晶器件、反射镜、微通道板和磁光器件等。其中,应用最为广泛的主要用液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)和数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)三种。LCD 属于透射式 SLM,该 SLM 能够控制入射光的偏振方向,通过检偏器调制入射光的强度,但由于其自身结构的缺陷,导致其对比度较低。LCoS 属于反射式SLM,通过控制入射光的偏振使其反射光线偏振方向反向,经检偏器后入射光线得到有效衰减。DMD 也属于反射式SLM,通过控制微镜的“开”与“关”状态实现对反射光的有效衰减。该 SLM 的数字微镜偏转速度极快,对比度非常高。

对于 LCD、LCoS 等液晶类 SLM,通过外加电场控制液晶分子的转动以实现对入射光的强度调制,这种调制方式具有较高的精确性和稳定性。但是由于液晶类SLM其自身物理性质的限制,存在一些固有的缺点。一方面,液晶类 SLM 都需要在其成像光路中加入偏振片和半透半反镜等以实现在偏振光下工作,这导致其成像系统至少有 50%的光能损失,因此使用这类 SLM 的成像系统的光效率通常很低;另一方面,液晶类 SLM 目前采用的是逐点扫描的控制方式,这样入射光到达图像探测器每个像素点的光信号并不是同一时刻,因而限制了液晶类SLM的线性度和对比度的提高。因此,由于液晶类 SLM 的光效率低、对比度较低等固有物理特性的限制,影响了其在光学成像领域的应用与发展。

DMD 作为一种反射式 SLM,其结构和工作原理与液晶类 SLM 存在着本质 的不同。首先,DMD 的微镜反射率高达 85%以上,且填充率在 90%以上,故DMD的光效率达到 70%[1,3,6],远高于液晶类 SLM。其次,由于 DMD 所有的微镜能够 被精确地同步控制,这样可以确保所有的入射光能够同时到达图像探测器的各个像素上,因此,DMD 的对比度和线性度更高。更重要的是,DMD 微镜的偏转速 度极快,对于 1bit 图像显示帧率最高可达 20kHz 以上,它意味着 DMD 对入射光线空间信息和时间信息的调制成为可能。

应用

空间光调制器的基本功能,就是提供实时或准实时的一维或二维光学传感器件和运算器件。在光信息处理系统中,它是系统和外界信息交换的接口。它可以作为系统的输入器件,也可在系统中用作变换或运算器件。作为输入器件时,其功能主要是将待处理的原始信息处理成系统所要求的输入形式。此时,空间光调制器作为输入传器,可以实现电- 光转换、串行- 并行转换、非相干光- 相干光转换、波长转换等。作为处理和运算器件时, 可以实现光放大、矢量- 矩阵或矩阵- 矩阵间乘法、对比反转、波面形状控制等。除此还有模拟图像存储的功能[5-8]

参考文献

[1] 吴美瑞. 结构光照明荧光显微成像系统研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2014.
[2] Manish Saxena, Gangadhar Eluru, and Sai Siva Gorthi, "Structured illumination microscopy," Adv. Opt. Photon. 7, 241-275 (2015)
[3] 付芸,王天乐,赵森.超分辨光学显微的成像原理及应用进展[J].激光与光电子学进展,2019,56(24):21-33.
[4] Gustafsson M G L , Shao L , Carlton P M , et al. Three-Dimensional Resolution Doubling in Wide-Field Fluorescence Microscopy by Structured Illumination[J]. Biophysical Journal, 2008, 94(12):4957-4970.
[5] http://wiki.dzsc.com/7885.html
[6] 冯维. 基于数字微镜的计算成像与三维扫描测量方法研究[D].天津大学,2017.
[7] Dudley D, Duncan W M, Slaughter J. Emerging digital micromirror device (DMD) applications[C]. Proc. SPIE 4985, MOEMS Display and Imaging Systems, (20 January 2003).
[8] Martial F P, Hartell N A. Programmable Illumination and High-Speed, MultiWavelength, Confocal Microscopy Using a Digital Micromirror[J]. PLoS ONE, 2012, 7(8): e43942.

荧光成像

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