[論文レビュー] Geometry of tilt (in)variance in scanned oblique plane microscopy

Manish Kumar, Yevgenia Kozorovitskiy|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques参考文献 27被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、スキャンされた斜方平面顕微鏡（SOPi）における傾きばらつきの幾何光学的分析を提示し、スキャナーゲオメトリの基づく傾きばらつきの解析的関係を導出する。実験的にモデルを検証し、傾き不変性を最適化するためのスキャナーポジショニングを最適化し、光学的収差および3次元フィールドオブビューの制約を特定することで、単一の対物レンズを用いたライトシート顕微鏡における横方向スキャンによる歪みのない3次元イメージングを可能にする。

ABSTRACT

Oblique plane microscopy (OPM) is a single objective light-sheet microscopy which performs three dimensional (3D) imaging by axial scan of the generated light-sheet. Recently, multiple techniques for lateral scan of the generated light-sheet in OPM have emerged. However, their suitability for geometrically distortion free 3D imaging, which essentially requires a constant tilt light-sheet scan, has not been evaluated. In this work, we use a geometrical optics approach and derive analytical relationship for the amount of tilt variance in planar mirror based scanned oblique plane illumination (SOPi) arrangement. We experimentally validate the derived relationship and use it to arrive at an optimized scanner geometry and to understand its associated limitations. We also discuss the effects of scanning on optical aberrations and 3D field of view in optimized, tilt invariant, lateral scanning OPM systems.

研究の動機と目的

• 平面ミラーを用いた横方向スキャンにおける斜方平面顕微鏡（SOPi）の傾きばらつきの幾何的要因を分析すること。
• 幾何光学の原則を用いて、SOPiシステムにおける傾きばらつきを支配する解析的関係を導出すること。
• 実際のSOPi設定における導出された傾きばらつきモデルの実験的検証すること。
• 最小限の傾きばらつきと向上したイメージング忠実度を実現するためのスキャナーゲオメトリの最適化すること。
• 最適化されたSOPiシステムにおけるスキャンの光学的収差および3次元フィールドオブビューへの影響を評価すること。

提案手法

• レンズ－スキャナー－対物レンズ系を通過する光線の伝播をモデル化するために幾何光学を適用した。
• スキャナーオフセットd、焦点距離f、ビーム角度θの関数として、傾きばらつきδ = −(d/f) × tanθ × tan(2θ) を導出した。
• レイトラースィミュレーションを用いて解析的モデルを検証し、スキャナーポジショニングを最適化した。
• 横方向スキャン位置にわたるビームの傾き変化を実験的に測定し、解析的モデルの妥当性を検証した。
• 受容角の幾何学を用いて3次元フィールドオブビューを分析し、シャープなイメージングに適した二重円錐型領域を示した。
• 光線収束挙動を評価することで光学的収差を評価し、ミラー・スキャナーがレンズに内在する収差以外の追加収差を引き起こさないことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平面ミラーを用いた横方向スキャンにおける斜方平面顕微鏡の傾きばらつきを支配する解析的関係は何か？
• RQ2 バックフォーカルプレーンからスキャナーのオフセットがSOPiシステムにおける傾き不変性にどのように影響するか？
• RQ3 実験的測定は、導出された傾きばらつきの解析的モデルを確認できるか？
• RQ4 最適化されたSOPiシステムにおける3次元フィールドオブビューおよび横方向スキャン範囲の制限は何か？
• RQ5 平面ミラーのスキャンジオメトリは、レンズに内在する収差以外に追加の光学的収差を引き起こすか？

主な発見

• 導出された解析的関係δ = −(d/f) × tanθ × tan(2θ) は、スキャナーオフセットdおよびビーム角度θの関数として、傾きばらつきを正確に予測している。
• 実験的測定により予測された傾きばらつきが確認され、高い精度で解析的モデルが検証された。
• スキャナーの回転軸が、スキャンレンズのバックフォーカルプレーンと主軸の交点に正確に一致する場合、傾き不変性が達成される。
• SOPi構成は、レンズに内在する収差以外に追加の光学的収差を導入しない。すべての光線が焦点面上の一点に適切に収束する。
• SOPiシステムの3次元フィールドオブビューは、対物レンズの数値孔径と作動距離によって定義される二重円錐型領域であり、有効な2次元FOVはスキャン位置およびサンプル厚さに応じて変化する。
• 横方向スキャン範囲は3次元FOVによって制限され、サンプル厚さが増加するにつれて受容角のバニシングにより著しく減少する。