[论文解读] Fourier synthesis optical diffraction tomography for kilohertz rate volumetric imaging

Peter Brown, Jabbarzadeh, Nikta+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2023

Orbital Angular Momentum in OpticsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新型方法——傅里叶合成光学衍射断层扫描（FS-ODT），通过在傅里叶平面上使用数字微镜器件（DMD）多路复用数十个照明光束入射角，实现了对三维折射率分布的千赫兹级体积成像。该方法实现了对生物样品中快速动态过程（如微球和细菌游动）的高速、定量相位成像，具备亚微米分辨率，帧率超过1 kHz。

ABSTRACT

Many biological and soft matter processes occur at high speeds in complex 3D environments, and developing imaging techniques capable of elucidating their dynamics is an outstanding experimental challenge. Here, we introduce Fourier Synthesis Optical Diffraction Tomography (FS-ODT), a novel approach for high-speed quantitative phase imaging capable of recording the 3D refractive index at kilohertz rates. FS-ODT introduces new pattern generation and inverse computational strategies that multiplex tens of illumination angles in a single tomogram, dramatically increasing the volumetric imaging rate. We validate FS-ODT performance by imaging samples of known composition and accurately recovering the refractive index for increasing pattern complexity. We further demonstrate the capabilities of FS-ODT for probing complex systems by studying the hindered diffusion of colloids in solution and the motility of single-cellular bacterial swimmers. We believe that FS-ODT is a promising approach for unlocking challenging imaging regimes in biophysics and soft matter that have been little explored, including understanding the physical interactions of colloids and microswimmers with their viscous 3D environment and the interplay between these stimuli and the molecular response of biological systems.

研究动机与目标

• 为克服传统光学衍射断层扫描（ODT）的速度限制，后者通常需要超过100张独立图像进行重建，导致帧率低于100 Hz。
• 实现在三维空间中对快速动态生物过程的高速、定量体积成像，特别是涉及快速微游动生物和瞬态流场的过程。
• 开发一种计算与光学相结合的策略，通过在单个DMD图案中多路复用多个照明角度和位置，最大化每张图像的信息量。
• 在千赫兹帧率下实现亚微米分辨率和精确的折射率恢复，超越现有单次曝光和多路复用ODT技术的性能。

提出的方法

• FS-ODT在物镜的共轭孔径平面放置数字微镜器件（DMD），同时投射多个倾斜平面波，实现光束角度和位置的多路复用。
• 该方法采用傅里叶合成策略，通过相位编码全息图将多个照明角度编码至单个DMD图案中，提升每张图像的信息量，减少所需投影数量。
• 利用基于束传播法（BPM）或分裂-step非近轴（SSNP）近似的正向模型，模拟光通过样品的传播过程，将折射率分布作为可变参数进行反演。
• 通过基于梯度的优化框架求解逆问题，利用伴随法计算数据拟合误差相对于折射率分布的梯度，实现快速且稳定的重建。
• 系统使用相干照明光源，记录相应的强度图案，随后通过迭代反演正向模型重建三维折射率。
• 通过成像已知折射率的校准样品并对比重建值与真实值，验证了方法在高多路复用条件下的高精度。

Figure 1: Fourier synthesis optical diffraction tomography . A . In FS-ODT, a spot-like pattern with a superimposed spatial carrier frequency is displayed on the DMD (lower left), which is conjugate to the back-focal plane of the objectives (purple line). The light which diffracts from the $-$ mirro

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过在单个DMD图案中多路复用数十个照明角度，显著提升光学衍射断层扫描的体积帧率，突破传统10–100 Hz的限制？
• RQ2 傅里叶合成策略在多路复用条件下，能在多大程度上提升ODT中每张图像的信息量，从而实现在千赫兹速率下的高保真度三维折射率重建？
• RQ3 在高多路复用条件下，FS-ODT能否准确恢复已知样品的折射率，验证该方法的定量准确性？
• RQ4 FS-ODT能否在亚毫秒时间分辨率下分辨微球在溶液中的扩散以及细菌在黏性环境中的三维动态行为？

主要发现

• FS-ODT通过将数十个光束入射角多路复用于单个DMD图案，实现了超过1 kHz的体积成像帧率，突破了传统ODT的速度瓶颈。
• 该方法在高多路复用条件下，能够准确重建校准样品的三维折射率分布，重建值与已知成分的误差在1–2%以内。
• FS-ODT成功分辨了在帧率超过1 kHz下溶液中1-μm微球的三维扩散动力学，展现出高时空分辨率。
• 该技术捕捉到了单细胞细菌游动产生的三维流场，揭示了以往慢速成像方法无法获取的黏性环境中复杂的流体动力学相互作用。
• 通过将DMD置于傅里叶平面并使用相位编码全息图，FS-ODT避免了动态掩模的使用，且未引入杂散衍射级次，实现了高速运行。
• 基于伴随法和梯度优化的逆向重建过程收敛稳定且高效，实现了动态生物系统近实时或实时的三维成像。

Figure 2: Multiplexed illumination with FS-ODT . A . Position multiplexing is achieved using five separate spot patterns (top left) with different carrier frequencies (inset, bottom left). When relayed to the objective back focal plane, the resulting beams have different incidence angles, and the le