单次全视场重建傅里叶叠层显微成像
近日，中科院长春光机所应用光学国家重点实验室宣丽研究员团队的朱友强博士研究生提出单次全视场重建傅里叶叠层显微成像。该工作首次将LED阵列照明光源与远心镜头结合在一起提供多角度的、等光强的平面波照明，实现了单次全视场高分辨率图像重建。打破了传统傅里叶叠层成像中多次重建的限制，使傅里叶叠层成像的高帧率动态探测成为可能。
一、研究背景
傅里叶叠层显微成像（Fourierptychographic microscopy，FPM）是近年来发展起来的一种具有高分辨率、大视场的计算成像技术。FPM通过在Fourier空间拼接多幅多角度照明测量的图像，绕过了系统的NA限制。在低倍显微物镜的大视场基础上，利用相位恢复算法重建出大视场高分辨率图像。然而，高分辨率重建图像会受到LED阵列点光源的影响。其影响表现为：(1)LED的出射光强随角度增大而降低，当LED阵列中的边缘LED照射样品时，样品采集到的光强严重下降，进而导致暗场图像的信噪比剧烈下降；(2)LED光源提供的照明波前为球面波前，全视场图像中的波矢不一致。为满足单波矢近似，在全视场高分辨率图像重建过程中，需要将全视场图像分割后顺序重建，最后通过图像拼接获得全视场高分辨率图像，过程繁琐且引入了过多的计算冗余，如图1所示。
图1. (a)LED 发光示意及LED全视场高分辨率图像重建过程
二、基于远心镜头的傅里叶叠层显微成像系统
提出了一种新的傅里叶叠层显微成像系统，称为单次全视场重建傅里叶叠显微层成像（Full-FOVreconstruction Fourier ptychographic microscopy, F³PM）。通过将LED阵列和远心透镜相结合，极大的改善了傅里叶叠层成像显微镜的照明系统，如图2所示。远心镜头能够收集不同LED的径向照明光束并将其转化为平面波来照明样品。远心镜头具有三个优势：远心特性、f-θ特性、良好的平面波前。远心镜头能够收集LED发出的径向光束得益于其远心特性，此外远心特性还提高了系统的稳定性。原因在于当LED阵列相对远心镜头有轻微离焦时，远心特性保证了LED发出的径向照明光束在经过远心镜头的调制后其照明角度不会改变。f-θ特性简化了LED的位置与照明角度的关系，照明波矢仅与LED在x-y平面的位置相关。远心透镜所提供的良好的平面波前，保证了全视场中的波矢相同，并最终利用此波矢一次重建全视场高分辨率图像。单次重建视场的面积和直径分别达到14.6mm²和5.4mm，与4×物镜的视场数（5.5mm）非常接近。与传统的FPM相比，我们将单次重建的视场大小提高了10倍，消除了复杂的计算冗余和图像拼接步骤。
图2. (a) F3PM 系统3D示意图；(b)远心镜头的远心特性及f-θ特性
为了验证 F3PM 的性能，对USAF1951与生物样品进行了成像实验。USAF 1951的实验结果如图3所示。实验系统中CCD相机像素块大小为9μm,系统放大率为4×。我们选取了1700×1700像素,视场大小3.82mm×3.82mm、视场直径5.4mm进行单次重建。从图3(a1)-(a4)可以出，传统FPM受波矢不一致的影响，单波矢重建下的边缘视场成像质量剧烈下降,不仅如出现了强烈的褶皱与伪影，且相对低分率图像分辨率提升不明显。从图3 (b1)-(b4) 以及图3 (c1)-(c4)中可以看出， F3PM 的重建结果不仅不存在强烈的伪影与褶皱，且高分辨率目标在视场中心以及视场边缘的重建结果一致并达到0.78μm，证明 F3PM 能够在完成单次全视场重建的同时保证全视场分辨率一致。与此同时，为了验证 F3PM 与以上实验相同，重建结果如图4所示。图4(a1) -(b1)分别是高分辨率强度图像与高分辨率相位图像。在强度图像中，其感兴趣区域的放大(a4)-(a5)与传统20×显微镜(NA=0.46)获得的真实值图像一致，并且相对低分辨率图像的分辨率提升明显。在相位图像中，细胞的轮廓清晰可见，证实了F3PM在单次重建下的定量相位成像能力。
图3.对传统FPM、F³PM系统获取的低分辨率图像单波矢下全视场重建结果
图4.生物样品-宫颈涂片的定量相位成像结果
三、结 语
综上所述，文中提出的基于远心镜头的傅里叶叠层成像系统，解决了LED中边缘LED的照明强度衰减问题、全视场波矢不一致造成的多次重建问题，实现了单次重建获取全视场高分辨率图像。通过对分辨率板以及生物样品的成像实验，验证了其全视场分辨率提升以及定量相位成像能力。该方法简化了全视场高分辨率重建过程，使傅里叶叠层显微成像的动态探测成为可能。以上研究工作以《Single full-FOVreconstruction Fourier ptychographic microscopy》为题发表在Biomedical Optics Express上，DOI：10.1364/BOE.409952。