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研究人员在一项新研究中展示了相关光场显微镜技术

发布时间：2026-01-30 14:31:49 阅读数： 51

巴里大学物理系米莱娜·丹杰洛教授的研究团队开发了一种用于体积成像的创新型光场显微镜技术。该技术发表于《自然-科学报告》期刊，实验表明，这种名为相关光场显微镜（CLM）的新技术利用两束光之间的相关性来获得体积图像，其分辨率仅受光衍射的限制。

图片描述

研究：利用相关光束进行高分辨率体积成像的光场显微镜。

显微镜技术长期以来一直难以在衍射极限下快速成像三维材料。为了研究动态生物过程，人们已经进行了无数次尝试，以满足对大体积物体进行快速成像和高速采集的需求。然而，所有这些方法都存在各种各样的权衡取舍。

该领域获取更高质量图像的技术改进包括：

· 多焦点复用

· 快速双光子显微镜

· 快速受激发射损耗显微镜（STED）

· 光片照明

· 采用可调镜头进行深度聚焦扫描

光场显微镜（LFM）是一种最有前途的新兴技术。

什么是光场显微镜（LFM）？

在计算机视觉和摄影中，“光场”一词用来指代光源的辐射分布或物体发出的光量，它是位置和视角方向的函数。

在传统的宽场显微镜中，由于从物镜接收锥（由其数值孔径定义）内物体上的某一点发出的所有光线都集中到相机传感器上的一个点，因此方向（角度）信息会丢失。

LFM 方法旨在同时获取 4D 辐射数据，提供有关物体的体积信息。

光场成像技术能够在单次曝光中识别光的空间分布和传播方向，从而在后处理过程中聚焦三维样本的离焦区域。将不同距离的重聚焦平面堆叠起来，可以增加成像体积内的景深。

使用镜头进行观察时，当物体位于镜头的焦点内时，观察效果最佳。即使镜头与被摄物体之间的距离略有偏差，物体仍然清晰可见，这个偏差范围被称为景深（DOF）。

在传统应用中，光场成像受限于分辨率和景深之间的权衡。这一限制在显微研究中尤为不利，因为所需的高分辨率会严重限制景深。表征厚样品需要重复扫描并积累大量数据。

在本文中， D'Angelo 教授的团队通过实验演示，描述了开发和测试一种用于进行衍射极限分辨率光场显微镜的新技术。

相关光场显微镜是一种利用光的统计特性来克服传统显微镜局限性的新方法。

传统的显微镜，包括物镜和管镜，是相关光场显微镜（CLM）的基础。

CLM 使用高分辨率传感器阵列来复制所采集的图像。这种显微镜能够精确再现的三维物体的唯一部分是位于其景深范围内的切片。

这种CLM设计还可以确定来自样品的光线方向。CLM能够重新聚焦三维样品区域。

分光镜通过将一部分来自物镜的光线反射到第二个透镜来实现这一目的。然后，第二个透镜将物镜的图像投射到第二个高分辨率传感器阵列上。

该出版物的“材料和程序”部分提供了有关实验设计的更多信息。

为了测试体积成像，我们使用了一个简单易控的三维物体，该物体由两个平面分辨率目标组成，这两个目标分别放置在距离物镜不同距离的位置。这些目标明显超出了CLM的自然景深范围。我们进行了评估，以验证CLM的重聚焦和深度映射能力。数据采集是通过将CLM聚焦到一个不包含任何测试目标的平面上进行的。

在对三维目标进行CLM测试后，我们测试了一个具有生物医学应用重要特征的厚体模。该样品由随机悬浮在半透明非双折射凝胶中的双折射淀粉颗粒组成。

在CLM中，相关图像是通过分析多对超短帧捕获图像之间的强度相关性而生成的。每对图像都由两束相关的光束照射，曝光时间与光源的相干时间相对应。

实验表明，CLM能够从三维测试目标和生物模型中的离焦平面获取数据。尤其值得一提的是，与相同分辨率的传统显微镜相比，CLM显著提升了景深。利用单幅相关图像中的多个视角，可以重建1 mm³样本内部约50个不同的横截面。

与传统光场成像相比，CLM 具有更高的可及视点多重性，这一优势可以显著增强未来的深度体积分析。