景深3d成像空間光調制器顯微鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開總體」::涉及顯微鏡學，更具體地，涉及利用結構光照射進行擴展景深 ("D0F"）成像的示例性系統、方法和計算機可接入介質。
【背景技術】
[0002] 由于分子探針的種類越來越豐富，對生態系統中局部環境功能特點的動態測量可 被編碼成光信號的時間調制。實例包括1?成像中神經元動作電位的熒光編碼（參見，例如 參考文獻1和2)、Ph敏感度（參見^例如參考文獻3)以及電壓敏感度（參見，例如參考文 獻4)。現有成像和傳感方法遇到的常見問題可包括光毒性/光漂白趨勢、時間或空間分辨 率不足、嵌入商度散射的材料中時f目號云失、以及缺少商頓頻二維成像解決方案。
[0003] 神經系統科學范圍內的光學系統規范的示例性基準可包括老鼠皮層內神經元的 皮質柱。對于網絡神經元活性的細胞間通訊的研究可得益于快速的、基于體積的數據采集。 空間域規范可包括~1mm3的成像體積，同時保持辨析単個細胞胞體（例如~10 μm)所需 的分辨率。辨析與動作電位相關的鈣瞬變的空間域規范可包括大于30Hz時的基于體積的 數據采集。雖然有很多技術已進行了獲得光學解決方案的嘗試（參見，例如參考文獻5、6、 7、8、9、10、11、12和13)，但目前尚沒有對于這種類型成像的光學解決方案。
[0004] 因此，提供一種示例性光學系統是有益的，該系統可以α)利用定向的照明圖案 減少照片曝光，（2)通過打破時間與空間分辨率之間的權衡增大時間分辨率，（3)利用雙光 子照明在散射介質中成像，以及（4)對整個樣本的許多空間位置發出的光信號提供同時測 定，該系統能夠克服至少一些上文所述的問題。
【發明內容】
[0005] 本公開的這些和其他目的可通過提供用于生成樣本一部分（多個部分）的至少一 個圖像的示例性系統、方法和計算可接入介質實現。
[0006] 為了達到這一目標，可能提供可利用空間光調制器（SLM)顯微鏡技術的系統、方 法和計算抗可彳安入介質，，所述空間光調制器顯微鏡技術Rj [:彳定義顯微鏡的樣本照明圖案以 從位于樣本內的多個目標同時獲取信息。一種示例性SLM顯微鏡裝置可羯于通過使用例如 擴展景深計算成像系統對處于例如任意3D坐標上的目標位置成像。多位點:Ξ維定位和傳 感可在透明介質和散射介質中使用。
[0007] 根據本公開示例性實施例，所述系統、方法和計算機可接入介質可利用例如if算 機硬盤裝置。使用這種示例性裝置，有可能接收到與電磁輻射（多種電磁輻射）有關的信 息，所述電磁輻射在被樣本的一部分（多個部分）修正之后可被光學尋址（例如，衍射）裝 置修正。至少一個用戶或計算機硬盤裝置的計算機指令可通過使用光學尋址（例如，衍射） 裝置將樣本至少一部分中的至少一個明確確定為目標。
[0008] 例如，可根據信息生成一個圖像（多個圖像）。衍射裝置可以是波前修正裝置，并 且可以被構造成調制電磁輻射（多種電磁輻射）的相位或振幅。當衍射裝置發出電磁輻射 (多種電磁輻射）時，電磁福射（多種電磁輻射）可以具有明確的三維結構，電磁福射網以 是非環境光。圖像可以至少接近于是軸向不變的，基本無損,并且可以不具有散焦模糊。
[0009] 在本公開的一些示例性實施例中，當電磁輻射（多種電磁輻射）與樣本的一部分 (多個部分）相交時，電磁福射（多種電磁福射）可具有薄片形狀。當電磁福射在樣本的這 個部分（多個部分）內時，電磁輻射還可具有聚焦光束形狀或者與樣本的這部分（多個部 分）一致的形狀。空間光調制裝置可使用::::；：維照明圖案（多個圖案）生成信息。根據本公 開的某些示例性實施例，光源（例如，雙光子光源）可產生被提供給樣本的源輻射，源輻射 可與電磁輻射（多種電磁輻射）相關。所述信息還可涉及其他先前將樣本的這個部分（多 個部分）作為目標的可動態配置的衍射裝置。
[0010] 在本公開的一些實施例中；源裝置可通過照明具有電磁輻射的樣本來產生光，所 述電磁輻射可以是非線性激發輻射。照明可以是動態的、時間控刺的和/或空間控制的。源 裝置可根據樣本的先驗知識照明樣本，樣本的先驗知識可包括樣本的用于照明的特定斑點 或樣本上用于照明的許多斑點。所述先驗知識還可以基于樣本的先前照明。
[0011] 根據本公開的另一個示例性實施例，可提供一種生成樣本一部分（多個部分）的 一個圖像（多個圖像）的系統A系統可包括源裝置、可接收來自源裝置的電磁輻射（多種 電磁輻射）并在樣本上生成照明圖案的空間光調刺裝置。可提供一種波前修正裝置，該裝 置被配置為可根據照明圖案接收來自樣本的返回輻射并可提供另一種輻射的。可提供一種 成像裝置;該裝置可基于從波前修正裝置接收到的所述另一種輻射生成一個圖像（多個圖 像）。
[0012] 在本公開的一些實施例中，樣本可以是生物樣本。例如，波前修正裝置可以控制返 回輻射的深度。波前修正裝置在系統內可以是固定的和不可移動的，并淚.可以被配置為增 加關于樣本體積尺寸的信息。在某些示例性實施例中，成像裝置的性能可以是不變的。在 一些示例性實施例中，處理裝置可以被配置為對圖像（多個圖像）進行數字化后期處理以 達到接近于最佳的效果。
[0013] 結合附圖和所陶權利要求，在閱讀以下對本公開示例性實施例的詳細描述后，將 對本發明不例性實施例的這些和其他目的、特征和優勢有清晰的了解。
【附圖說明】
[0014] 結合顯示了說明性實施例的附圖，從以下詳細描述可以對本公開的更多目的、特 征和優勢有更清晰的解.，其中：
[0015] 圖1A -圖1H是根據本公開示例性實施的示例性相位剖面圖示；
[0016] 圖2A是傳統成像顯微鏡的作為散焦函數的示例性模擬光瞳相位圖示；
[0017] 圖2B是與圖2A相關的示例性點擴散函數圖示；
[0018] 圖2C是根據本公開示例性實施例的擴展景深顯微鏡的作為散焦函數的示例性相 位圖示；
[0019] 圖2D是根據本公開示例性實施例的與圖2C相關的示例性點擴散函數圖示；
[0020] 圖3A根據本公開示例性實施例的用于3D定位和監測的結合空間光調刺和擴展景 深成像顯微鏡的示例性示意圖圖示；
[0021] 圖3B顯示了根據本公開示例性實施例的周示例性衍射光學元#創建并位于可接 入區 ?〇〇22] 圖4A -圖4C是根據本公開不例性買施例的本例性焦平面圖像的;^例性比較圖 示；
[0023] 圖4D是根據本公開示例性實施倒的由復原圖像測得的熒光性隨時間的示例性波 動曲線圖；
[0024] 圖5A -圖5D是根據本公開示例性實施例的使用傳統顯微鏡和擴展景深顯微鏡在 透明介質中的示例性::三維空間光調制的示例性結果的圖示；
[0025] 圖6A -圖6D是根據本公開示例性實施例的使用傳統顯微鏡和擴展景深顯微鏡在 散射介質中的二維紀間光調制的更多不例性結果的圖不；
[0026] 圖7是根據本公開承例性買施例的例性聚焦校準程序的子步驟/子程序的一組 圖示；
[0027] 圖8A和圖8B是根據本公開示例性實施例的目標的理想橫向圖案的示倒性圖像圖 不；
[0028] 圖9是一組示例性圖表圖示，該組圖表表明了根據本公開示例性實施例的根據一 大厚塊熒光材料內成像確定的3x3仿射變換矩陣的軸向依賴性；
[0029] 圖10A和圖10B是說明了根據本公開示例性實施例的使用Wiener去卷積濾波器 和Richardson-Lijcy去卷積的去卷積結果的示倒性圖表；
[0030] 圖11是說明了根據本公開示例性實施例從單個目標收集的標準化熒光性的示例 性圖表；以及
[0031] 圖12是根據本公開某些示倒性實施倒的示例性系統的框圖。
[0032] 對于所有附圖，除非另有聲明，否則相同的陶圖標記被用來表示所示實施例的相 同特征、元素、組件或部件。此外，雖然下面將參照齡圖對本公開進行詳細描述?但是下面 的描述是結合說明性實施例來進行的，并不局限于附圖和所辭權利要求中所述的具體實施 例。
【具體實施方式】
[0033] 可結合以下描述和相關辭圖對本公開的示例性實施例做進一步了解，但并不作為 對本公開的限刺。本公開的示例性實施例涉及一種利用空間光調刺進行擴展景深成像的示 例性系統、方法和計算機可接入介質。
[0034] 三維目標圖案的示例性空間光調刺器顯微鏡技術
[0035] 使用空間光調制器（SLM)顯微鏡技術設備、系統和方法，例如根據本公開的示例 性實施例，可解決和/或克服傳統顯微鏡系統的某些局限性，例如（a)減少由僅對感興趣區 域的特足照射引起大塊光損傷；(b)真正實現將視場內多個位總確足為目標；以及（c)爽 活創建三·維目標圖案以在被動成像模式或主動光刺激模式中使用。此外，SLM顯微鏡技術 的使用既可以適應單光子照射源也可以適應雙光子照射源（參見，例如參考文獻13、14和 15)一一雙光子照射源對于增大散射材料中的穿透深度和提高軸向分辨率是必不可少的。 (參見，例如參考文獻16)。
[0036] SLM顯微鏡技術可以同時照明許多目標并可以動態改變目標選擇設置。由 可以起到現場可編程衍射光學元件的作用，顯微鏡的照明圖案可在獨立計算機算法識別出 目標的實驗性設置后進行調整。此外，可以對SLM進行調節以反映出樣本中呈現的實驗性 現實（例如目標定位密度的變化、像差校正、目標的時間定序，等等）。先前的工作己經證明 了 SLM:顯微鏡技術對于神經系統科學的重要性，其中，目標可以包括單個神經元細胞的樹 突（參見，例如參考文獻13)或大型群集神經元的胞體（參見，例如參考文獻15)。顯然， 神經系統科學中的這項應用可以充分利用SLM的靈活性，這是因為它可以用于為光釋放神 經遞質或者例如如視蛋白的光感結構傳送革E向光以刺激神經元活性（參見，例如參考文獻 14、13 和 17)。
[0037] 對于耙向照射，可使用棱鏡與透鏡相來提供對物體空間內點的完全三維控制。為 了建立SLM圖案照明點Ρ?二（X iy j),其中j是N個目標總數中每個目標的指數/可 對坐標框架ill, vl中的SLM:加載相位。考慮到可能出現的旋轉、移動和其他形式的失準，公 式1包含了校正方法，其中，確切的位置相關變換：
可將SLM的坐標與成像探測器聯糸起來。依賴軸向的相位分董可擴展成澤尼克多項式，以 抵消高階空間像差的影響（？也N婦冬b之獻19)。
[0039] 包括澤尼克多項式定義及其相關系數在內的示例性程序的示例性細節將在F文 進行描述。當這種變換是一元時，這種示例性相位圖案的實例可如圖?α - m所示，圖中顯 示了 x,y和z的平移。全部目標的照明圖案可通過以下公式進行計算，
[0041] 物鏡焦平面附近的示例性強度圖案可由以下公式得到，
[0042] i(x, y) = |Fi?SLJ I2 (3)
[0043] 式中，F可為傅里葉變換算符。
[0044] 特別地，圖1A-1H提供了根據本公開示例性實施例的典型光瞳相位剖面圖示。例 如，圖1A是水平平移的圖示，圖1C垂直平移的圖示，圖1E是分別具有圖1B、1D和1F的模 擬中所示的相關焦平面點擴散函數（PSF)的軸向平移的圖示。如圖〗_B、1D和1F所示，圖中 顯示了零相位光瞳函數的PSF(105),以此強調所使用的相位函數