[论文解读] 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 20

一句话总结

本文对扫描斜面光镜（SOPi）中的倾斜变化进行了几何光学分析，基于扫描器几何结构推导出倾斜变化的解析关系。通过实验验证了该模型，优化了扫描器位置以实现倾斜不变性，并确定了光学像差和三维视场的限制，从而在单物镜光片显微镜中实现无失真的三维成像。

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.

研究动机与目标

• 分析基于平面镜的横向扫描在斜面光镜（SOPi）中导致倾斜变化的几何原因。
• 利用几何光学原理，推导出SOPi系统中倾斜变化的解析关系。
• 在真实的SOPi配置中，通过实验验证所推导的倾斜变化模型。
• 优化扫描器几何结构以实现最小倾斜变化和更高的成像保真度。
• 评估优化后的SOPi系统中扫描对光学像差和三维视场的影响。

提出的方法

• 应用几何光学方法，对光路通过透镜-扫描器-物镜系统的传播进行建模。
• 推导出倾斜变化 δ = −(d/f) × tanθ × tan(2θ)，其为扫描器偏移 d、焦距 f 和光束角度 θ 的函数。
• 使用光线追迹仿真验证解析模型并优化扫描器位置。
• 通过测量横向扫描位置上光束倾斜的变化，进行实验验证，以交叉核对解析模型。
• 利用接受角几何分析三维视场，表明清晰成像区域为双锥形。
• 通过评估光线会聚行为来评估光学像差，证实镜面扫描器未引入超出透镜本身固有的额外像差。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于平面镜的横向扫描在斜面光镜中，倾斜变化的解析关系是什么？
• RQ2 扫描器相对于后焦面的偏移如何影响SOPi系统中的倾斜不变性？
• RQ3 实验测量能否证实所推导的倾斜变化解析模型？
• RQ4 在优化后的SOPi系统中，三维视场和横向扫描范围的限制是什么？
• RQ5 平面镜扫描结构是否会在透镜固有的像差之外引入额外的光学像差？

主要发现

• 推导出的解析关系 δ = −(d/f) × tanθ × tan(2θ) 准确预测了倾斜变化随扫描器偏移 d 和光束角度 θ 的变化。
• 实验测量结果证实了预测的倾斜变化，以高精度验证了解析模型。
• 当扫描器的旋转轴精确对齐于物镜后焦面与扫描透镜主轴的交点时，可实现倾斜不变性。
• SOPi结构未引入超出透镜本身固有的额外光学像差，因为所有光线均正确会聚到焦平面上的点。
• SOPi系统中的三维视场为双锥形区域，由物镜的数值孔径和工作距离决定，有效二维视场随扫描位置和样品厚度而变化。
• 横向扫描范围受三维视场限制，随着样品厚度增加，由于接受锥的遮挡，扫描范围显著减小。