[논문 리뷰] Geometry of tilt (in)variance in scanned oblique plane microscopy

Manish Kumar, Yevgenia Kozorovitskiy|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques참고 문헌 27인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 단일 목표 렌즈를 사용하는 빛줄기 현미경에서 횡방향 스캐닝을 위한 평면 거울 기반의 수평 스캐닝을 위한 기하광학적 분석을 제시하며, 스캐너 기하학에 기반한 기울기 변동성에 대한 분석적 관계를 유도한다. 이 모델은 실험적으로 검증되었으며, 기울기 불변성에 최적화된 스캐너 위치가 설정되었고, 광학적 비수율과 3차원 영역의 시야에 대한 제약 조건이 규명되어, 단일 목표 렌즈 빛줄기 현미경에서 왜곡 없는 3차원 영상 촬영이 가능해졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기울기 평면 현미경(SOPi)을 위한 평면 거울 기반 횡방향 스캐닝에서 기울기 변동성의 기하학적 원인을 분석하기 위해.
• 기하광학 원리를 사용하여 SOPi 시스템에서 기울기 변동성에 영향을 주는 분석적 관계를 유도하기 위해.
• 실제 SOPi 구성에서 유도된 기울기 변동성 모델을 실험적으로 검증하기 위해.
• 최소한의 기울기 변동성과 향상된 영상 정밀도를 확보하기 위해 스캐너 기하학을 최적화하기 위해.
• 최적화된 SOPi 시스템에서 스캐닝이 광학적 비수율과 3차원 영역의 시야에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 렌즈-스캐너-목적 렌즈 시스템을 통과하는 빛의 경로를 모델링하기 위해 기하광학을 적용하였다.
• 스캐너 오프셋 d, 초점 거리 f, 빔 각도 θ에 따라 기울기 변동성 δ = −(d/f) × tanθ × tan(2θ)를 유도하였다.
• 레이 트레이싱 시뮬레이션을 사용하여 분석 모델을 검증하고 스캐너 위치를 최적화하였다.
• 횡방향 스캔 위치에 따른 빔 기울기 변화를 실험적으로 측정하여 분석 모델을 교차 검증하였다.
• 수용 각도 기하학을 사용하여 3차원 영역의 시야를 분석하였으며, 날카운 영상 촬영에 적합한 이중콘형 영역임을 확인하였다.
• 레이 컨vergence 행동을 평가하여 광학적 비수율을 평가하였으며, 거울 스캐너가 렌즈에 내재된 비수율 이외의 추가 비수율을 유도하지 않음을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울기 평면 현미경을 위한 평면 거울 기반 횡방향 스캐닝에서 기울기 변동성에 영향을 주는 분석적 관계는 무엇인가?
• RQ2 후방 초점면에서 스캐너 오프셋이 SOPi 시스템의 기울기 불변성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 실험적 측정을 통해 유도된 기울기 변동성 분석 모델을 확인할 수 있는가?
• RQ4 최적화된 SOPi 시스템에서 3차원 영역의 시야와 횡방향 스캔 범위에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 평면 거울 스캐닝 기하학은 렌즈에 내재된 비수율 외에 추가적인 광학적 비수율을 유도하는가?

주요 결과

• 유도된 분석적 관계 δ = −(d/f) × tanθ × tan(2θ)는 스캐너 오프셋 d와 빔 각도 θ에 따른 기울기 변동성을 정확하게 예측한다.
• 실험적 측정 결과는 예측된 기울기 변동성을 확인하였으며, 분석 모델이 높은 정밀도로 검증되었다.
• 스캐너의 회전축이 스캔 렌즈의 후방 초점면과 주축의 교차점에 정확히 정렬될 때 기울기 불변성이 달성된다.
• SOPi 구성은 렌즈에 내재된 비수율 이외의 추가 비수율을 유도하지 않으며, 모든 레이가 초점면의 한 점으로 정확히 수렴한다.
• SOPi 시스템의 3차원 영역의 시야는 목표 렌즈의 수치적 입사각과 작동 거리에 의해 정의된 이중콘형 영역이며, 효과적인 2차원 시야는 스캔 위치와 샘플 두께에 따라 변한다.
• 횡방향 스캔 범위는 3차원 영역의 시야에 의해 제약을 받으며, 샘플 두께가 증가함에 따라 수용 각도 콘의 비닝게이팅으로 인해 크게 감소한다.