本文純相位空間光調(diào)制器在點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）工程中的應(yīng)用介紹了點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）工程在熒光顯微鏡分辨中的應(yīng)用驳阎。使用空間光調(diào)制器（SLM）對(duì)熒光顯微鏡進(jìn)行校準(zhǔn)墩衙，產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)低于衍射極限的波前誤差。從而提高成像系統(tǒng)的分辨率乃沙。
純相位空間光調(diào)制器在點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）工程中的應(yīng)用
一抒线、 引言
2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉粟耻，美國(guó)及德國(guó)三位科學(xué)家Eric Betzig垢乙、Stefan W. Hell和William E. Moerner獲獎(jiǎng)锨咙。獲獎(jiǎng)理由是“研制出超分辨率熒光顯微鏡”，從此人們對(duì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF) 工程的認(rèn)識(shí)有了顯著提高追逮。
Moerner 展示了 PSF 工程與 Meadowlark Optics SLM 的使用案例酪刀，用于熒光發(fā)射器的超分辨率成像和 3D 定位。 PSF工程已被證明使顯微鏡能夠使用多種成像模式對(duì)樣本進(jìn)行成像钮孵，同時(shí)以非機(jī)械方式在模式之間變化骂倘。這允許對(duì)具有弱折射率的結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，以及對(duì)相位結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量測(cè)量巴席。 已證明的成像方式包括：螺旋相位成像历涝、暗場(chǎng)成像、相位對(duì)比成像漾唉、微分干涉對(duì)比成像和擴(kuò)展景深成像睬关。
美國(guó)Meadowlark Optics 公司專注于模擬尋址純相位空間光調(diào)制器的設(shè) 計(jì)、開發(fā)和制造毡证，有40多年的歷史，該公司空間光調(diào)制器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)蔫仙，散射或渾濁介質(zhì)中的成像料睛，雙光子/三光子顯微成像，光遺傳學(xué)，全息光鑷(HOT)恤煞，脈沖整形屎勘，光學(xué)加密，量子計(jì)算居扒，光通信概漱，湍流模擬等領(lǐng)域。其高分辨率喜喂、高刷新率瓤摧、高填充因子的特點(diǎn)適用于PSF工程應(yīng)用中。
圖1. Meadowlark 2022年最新推出 1024 x 1024 1K刷新率SLM
一玉吁、 空間光調(diào)制器在PSF工程中的技術(shù)介紹
在單分子定位顯微鏡（SMLM）中照弥，通過(guò)從相機(jī)視場(chǎng)中稀疏分布的發(fā)射點(diǎn)來(lái)估計(jì)單個(gè)分子的位置，從而克服了分辨率的衍射限制进副≌獯В可實(shí)現(xiàn)的分辨率受到定位精度和熒光標(biāo)簽密度的限制，在實(shí)踐中可能是幾十納米的數(shù)量級(jí)影斑。有科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將這種技術(shù)擴(kuò)展到三維定位给赞。通過(guò)在光路中加入一個(gè)圓柱形透鏡或使用雙平面或多焦點(diǎn)成像，可以估算出分子的軸向位置矫户。光斑的拉長(zhǎng)（散光）或光斑大小的差異（雙平面成像）對(duì)軸向位置進(jìn)行編碼片迅。將空間光調(diào)制器（SLM）與4F中繼系統(tǒng)結(jié)合到成像光路中，可以設(shè)計(jì)更廣泛的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）吏垮，為優(yōu)化顯微鏡的定位性能提供了可能障涯。
利用空間光調(diào)制器（SLM）對(duì)熒光顯微鏡進(jìn)行校準(zhǔn)，可以建立一個(gè)遠(yuǎn)低于衍射極限的波前誤差膳汪，SIEMONS團(tuán)隊(duì)就利用Meadowlark空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了高精度的波前控制唯蝶。原理證明和實(shí)驗(yàn)顯示，在1微米的軸向范圍內(nèi)遗嗽，在x粘我、y和λ的精度低于10納米，在z的精度低于20納米痹换。對(duì)這篇文獻(xiàn)感興趣的話可以聯(lián)系我們查閱文獻(xiàn)原文《High precision wavefront control in point spread function engineering for single emitter localization 》
下面我們來(lái)具體看看是如何應(yīng)用的征字，以及應(yīng)用效果如何。
圖2. A）SLM校準(zhǔn)分支和通過(guò)光路的偏振傳輸示意圖娇豫。額外的線性偏振濾波器沒(méi)有被畫出來(lái)匙姜，因?yàn)樗鼈兣c偏振分光器對(duì)齊。B）相機(jī)上的強(qiáng)度響應(yīng)作為λ/2-板不同方向α的SLM的相位延遲的函數(shù)冯痢。C) 光學(xué)裝置的示意圖氮昧。一個(gè)帶有SLM的中繼系統(tǒng)被添加到顯微鏡的發(fā)射路徑中（紅色）框杜，一個(gè)單獨(dú)的SLM校準(zhǔn)路徑（綠色）被納入發(fā)射中繼系統(tǒng)中。這允許在實(shí)驗(yàn)之間進(jìn)行SLM校準(zhǔn)袖肥。BE：擴(kuò)束器咪辱，DM：分色鏡，L：鏡頭椎组，LPF：線性偏振濾鏡油狂，M：鏡子。OL：物鏡寸癌，PBS：偏振分光鏡专筷，TL：管鏡。
光路如上圖2所示灵份，包括一臺(tái)尼康Ti-E顯微鏡仁堪，帶有TIRF APO物鏡（NA = 1.49，M = 100）填渠，一個(gè)200毫米的管狀鏡頭弦聂，一個(gè)帶有SLM的中繼系統(tǒng)被建立在顯微鏡的一個(gè)出口端口。中繼系統(tǒng)包括兩個(gè)消色差透鏡氛什，一個(gè)向列型液晶空間光調(diào)制器（LCOS）SLM（Meadowlark莺葫，XY系列，512x512像素枪眉，像素大小=15微米捺檬，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)=532納米）和一個(gè)偏振分光器，用于過(guò)濾未被SLM調(diào)制的X偏振光贸铜。第一個(gè)消色差透鏡在SLM上轉(zhuǎn)發(fā)光束堡纬。
第二個(gè)中繼鏡頭確保在emccd上對(duì)熒光物體進(jìn)行奈奎斯特采樣。顯微鏡配備了一套波長(zhǎng)為405nm蒿秦、488nm烤镐、561nm和642nm的合束激光器。
這個(gè)配置增加了一個(gè)用于校準(zhǔn)SLM的第二個(gè)光路棍鳖。這個(gè)空降光調(diào)制器校準(zhǔn)光路是為測(cè)量入射到SLM上的X和Y偏振光之間的延遲差而設(shè)計(jì)的炮叶，為了測(cè)量某個(gè)SLM像素的調(diào)制，需要將SLM映射到校準(zhǔn)路徑的相機(jī)上渡处。這種映射是通過(guò)在SLM上施加一個(gè)電壓增加的棋盤圖案來(lái)獲得的镜悉。平均捕獲的圖像和沒(méi)有施加電壓時(shí)的圖像之間的差異被用作角落檢測(cè)算法（來(lái)自Matlab - Mathworks的findcheckerboard）的輸入，以找到角落點(diǎn)医瘫。對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行仿生變換侣肄，并用于找到對(duì)應(yīng)于每個(gè)SLM像素的cmos像素。
圖3. SLM校準(zhǔn)程序醇份。A) 單個(gè)SLM像素的測(cè)量強(qiáng)度響應(yīng)作為應(yīng)用電壓的函數(shù)茫孔。每一個(gè)極值都對(duì)應(yīng)于等于π的整數(shù)倍的相位變化叮喳，并擬合一個(gè)二階多項(xiàng)式以提高尋找極值的精度。強(qiáng)度被分割成四個(gè)部分缰贝，它們被縮放為[0 1]。這個(gè)歸一化的強(qiáng)度（B）被轉(zhuǎn)換為相位（C）畔濒，并反轉(zhuǎn)以創(chuàng)建該特定電壓段和像素的LUT（D）剩晴。E）20個(gè)隨機(jī)選擇的SLM像素的歸一化強(qiáng)度響應(yīng)，顯示像素間的變化侵状。F) 測(cè)量的波前均方根誤差是校準(zhǔn)后立即使用校準(zhǔn)LUT的相位的函數(shù)赞弥，45分鐘后，以及制造商提供的LUT趣兄。G) 在不同的恒定相位下绽左，用于成像光路的SLM部分的LUTs。暗點(diǎn)表示沒(méi)有3個(gè)最大值的像素筋蓖。H) 測(cè)量的平均相位和預(yù)定相位之間的差異作為預(yù)定相位的函數(shù)论皆。
圖3解釋了SLM像素的校準(zhǔn)程序虹蒋。首先，以256步測(cè)量作為應(yīng)用電壓函數(shù)的強(qiáng)度響應(yīng)鲁纠，產(chǎn)生一連串的最小值和最大值，它們對(duì)應(yīng)于π或2π的遲滯鳍寂。在被照亮的SLM平面內(nèi)的所有像素似乎有三個(gè)最大值改含，這意味著總的相位調(diào)制為4π或1094納米。這些極值出現(xiàn)的電壓是通過(guò)對(duì)極值附近的三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合拋物線來(lái)找到的迄汛，這增加了精度捍壤，并充分利用了SLM的16位控制。然后鞍爱，強(qiáng)度被分為四段鹃觉，用公式（11）的逆值對(duì)這些段進(jìn)行縮放并轉(zhuǎn)換為相位。相位響應(yīng)被用來(lái)為每個(gè)SLM像素構(gòu)建一個(gè)單獨(dú)的查找表（LUT）硬霍，以補(bǔ)償SLM的非均勻性帜慢。LUT參數(shù)在SLM上平滑變化，并與肉眼可見(jiàn)的法布里-珀羅條紋大致對(duì)應(yīng)唯卖，表明相位響應(yīng)的差異是由于液晶層厚度的變化造成的粱玲。額外的像素與像素之間的變化可能來(lái)自底層硅開關(guān)電路的像素與像素之間的變化。完整的校準(zhǔn)需要大約5分鐘（在四核3.3GHz i7處理器上的3分鐘掃描和2分鐘計(jì)算時(shí)間）拜轨，但原則上可以優(yōu)化到運(yùn)行更快抽减。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
圖4 測(cè)量的PSF與矢量PSF模型擬合之間的PSF比較。G-I）平均測(cè)量的PSF是由大約108個(gè)光子攜帶的信號(hào)通過(guò)上采樣（3×）和覆蓋所有獲得的斑點(diǎn)編制而成橄碾。比例尺表示1μm卵沉。
圖4顯示PSF模型的預(yù)測(cè)結(jié)果颠锉。通過(guò)這種方式，實(shí)驗(yàn)的PSF是由～108個(gè)光子的累積信號(hào)建立起來(lái)的史汗。實(shí)驗(yàn)和理論上的矢量PSF之間的一致性通常是非常好的琼掠，甚至在最大的離焦值的邊緣結(jié)構(gòu)也是非常匹配的。剩下的差異停撞，主要是光斑的輕微變寬瓷蛙，是由于入射到相機(jī)上的光的非零光譜寬度，由于發(fā)射光譜的寬度和四帶分色器的帶通區(qū)域的寬度戈毒。邊緣結(jié)構(gòu)中也有一個(gè)小的不對(duì)稱性艰猬，這可能是由光學(xué)系統(tǒng)中殘留的高階球差造成的。
所有工程PSF的一個(gè)共同特點(diǎn)是埋市，與簡(jiǎn)單的二維聚焦斑點(diǎn)相比冠桃，它們的復(fù)雜性必須在PSF模型中得到體現(xiàn)，該模型被用于估計(jì)三維位置（可能還有發(fā)射顏色或分子方向）的參數(shù)擬合算法道宅。簡(jiǎn)化的PSF模型食听，如高斯模型、基于標(biāo)量衍射的Airy模型培己、Gibson-Lanni模型碳蛋，或基于Hermite函數(shù)的有效模型都不能滿足這一要求。一個(gè)解決方案是使用實(shí)驗(yàn)參考PSF省咨，或用花樣擬合這樣的PSF作為模型PSF肃弟，或者使用一個(gè)或多個(gè)查找表（LUTs）來(lái)估計(jì)Z-位置。矢量PSF模型也可以用于復(fù)雜的3D和3D+λ工程PSF零蓉。眾所周知笤受，矢量PSF模型是高NA熒光成像系統(tǒng)中圖像形成的物理正確模型。復(fù)雜的工程PSF的另一個(gè)共同特點(diǎn)是對(duì)擾亂設(shè)計(jì)的PSF形狀的像差的敏感性敌蜂，并以這種方式對(duì)精度和準(zhǔn)確性產(chǎn)生負(fù)面影響箩兽。為了實(shí)現(xiàn)精確到Cramér-Rao下限（CRLB），即無(wú)偏估計(jì)器的最佳精度章喉，光學(xué)系統(tǒng)的像差水平應(yīng)該被控制在衍射極限（0.072λ均方根波前像差）汗贫，這個(gè)條件在實(shí)踐中往往無(wú)法滿足。因此秸脱，需要使用可變形鏡或?yàn)楫a(chǎn)生工程PSF而存在的SLM對(duì)像差進(jìn)行校正落包。自適應(yīng)光學(xué)元件的控制參數(shù)可以使用基于圖像的指標(biāo)或通過(guò)測(cè)量待校正的像差來(lái)設(shè)置。后者可以通過(guò)基于引入相位多樣性的相位檢索算法來(lái)完成摊唇，通常采用通焦珠掃描的形式咐蝇。這已經(jīng)在高數(shù)值孔徑顯微鏡系統(tǒng)、定位顯微鏡中實(shí)現(xiàn)巷查，并用于提高STED激光聚焦的質(zhì)量有序。
三抹腿、 PSF應(yīng)用對(duì)液晶空間光調(diào)制器的要求
1. 光利用率
對(duì)于這個(gè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，SLM將光學(xué)損失降到最低是很重要的旭寿。PSF工程使用SLM來(lái)操縱顯微鏡發(fā)射路徑上的波前警绩。在不增加損失的情況下，熒光成像中缺乏信號(hào)许师。使用具有高填充系數(shù)的SLM可以最大限度地減少衍射的損失房蝉。
Meadowlark公司能提供標(biāo)速版95.6%的空間光調(diào)制器，分辨率達(dá)1920x1200微渠，高刷新率版像素1024x1024，填充因子97.2%和dielectric mirror coated版本（100%填充率）咧擂。鍍介電膜版本的SLM反射率可以做到100%逞盆，一級(jí)衍射效率可以做到98%。高分辨率能在滿足創(chuàng)建復(fù)雜相位函數(shù)的同時(shí)松申，能夠提升系統(tǒng)的光利用率云芦。
2.刷新率（最高可達(dá)1K Hz）
高速度可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的深層組織超分辨率成像。可見(jiàn)光波段最高可達(dá)1K Hz刷新速度（@532nm）贸桶。
3. 分辨率（1920x1200）
高分辨率的SLM是創(chuàng)建三維定位所需的復(fù)雜相位函數(shù)的理想選擇舅逸，如此能夠?qū)γ總€(gè)小像元區(qū)域的光場(chǎng)進(jìn)行自由調(diào)控。
上海昊量光電作為Medowlark在中國(guó)大陸地區(qū)總代理商皇筛，為您提供專業(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)琉历。對(duì)于Meadowlark SLM有興趣或者任何問(wèn)題，都?xì)g迎通過(guò)電話水醋、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系旗笔。
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相關(guān)文獻(xiàn)：
1. Siemons, M., Hulleman, C. N., Thorsen, R. ?., Smith, C. S., & Stallinga, S. (2018). High precision wavefront control in point spread function engineering for single emitter localization. Optics express, 26(7), 8397-8416. (right top) Maurer, Christian, et al.
2. Majeed, H., Kandel, M. E., Han, K., Luo, Z., Macias, V., Tangella, K. V., ... & Popescu, G. (2015). Breast cancer diagnosis using spatial light interference microscopy. Journal of biomedical optics, 20(11), 111210.www.meadowlark.com Page 2 of 2 Rev. 0420
3. TANG, Z., O’DWYER, K., & HENNELLY, B. (2019, May). calibration methods for Spatial Light Interference Microscopy. In digital holography and Three-Dimensional Imaging (pp. W1B-7). Optical Society of America.
4. Nguyen, T. H., Kandel, M., Shakir, H. M., Best-Popescu, C., Arikkath, J., Do, M. N., & Popescu, G. (2017). Halo-free phase contrast microscopy. Scientific reports, 7, 44034.
5. Siemons, M., Hulleman, C. N., Thorsen, R. ?., Smith, C. S., & Stallinga, S. (2018). High precision wavefront control in point spread function engineering for single emitter localization. Optics express, 26(7), 8397-8416.
6. Kandel, M., Teng, K. W., Selvin, P. R., & Popescu, G. (2016, March). Highly sensitive kinesin-microtubule motility assays using SLIM. In Quantitative Phase Imaging II (Vol. 9718, p. 97180T). International Society for Optics and Photonics.
7. Zhang, O., Lu, J., Ding, T., & Lew, M. D. (2018). Imaging the three-dimensional orientation and rotational mobility of fluorescent emitters using the Tri-spot point spread function. Applied physics letters, 113(3), 031103.
8. Kandel, M. E., Teng, K. W., Selvin, P. R., & Popescu, G. (2016). Label-free imaging of single microtubule dynamics using spatial light interference microscopy. ACS nano, 11(1), 647-655.
9. King, S. V., Yuan, S., & Preza, C. (2018). Performance evaluation of extended depth of field microscopy in the presence of spherical aberration and noise. Journal of biomedical optics, 23(3), 036016
10. Zhang, O., Ding, T., Lu, J., Mazidi, H., & Lew, M. D. (2018, February). Measuring 3D molecular orientation and rotational mobility using a Tri-spot point spread function. In Single Molecule spectroscopy and Superresolution Imaging XI (Vol. 10500, p. 105000B). International Society for Optics and Photonics.
11. Lee, Y. J., Cintora, P., Arikkath, J., Akinsola, O., Kandel, M., Popescu, G., & Best-Popescu, C. (2017). Quantitative assessment of neural outgrowth using spatial light interference microscopy. Journal of biomedical optics, 22(6), 066015.
12. Smith, C., Huisman, M., Siemons, M., Grünwald, D., & Stallinga, S. (2016). Simultaneous measurement of emission color and 3D position of single molecules. Optics Express, 24(5), 4996-5013.
13. King, S. V., Doblas, A., Patwary, N., Saavedra, G., Martínez-Corral, M., & Preza, C. (2015). Spatial light modulator phase mask implementation of wavefront encoded 3D computational-optical microscopy. Applied optics, 54(29), 8587-8595.
14. Liu, L., Kandel, M. E., Rubessa, M., Schreiber, S., Wheeler, M. B., & Popescu, G. (2018). Topography and refractometry of sperm cells using spatial light interference microscopy. Journal of Biomedical optics, 23(2), 025003.
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