高分辨率和大景深结合-徕卡专利技术FusionOptics融合光学

2018-10-12 10:53:02 普赫 1042


人类对视觉环境的感受,80%通过视觉感知获得。如果没有空间视觉,我们几乎无法确定方向。我们的视觉皮质和大脑皮层通过复杂的过程,巧妙地处理着从眼睛看到的图像信号。


最近几十年,神经科学已经大量了解该过程。故由徕卡显微系统、苏黎世大学神经信息学研究所和瑞士联邦理工学院共同开展的一项研究,显示了我们的大脑如何灵活有效地结合视觉信号创造出最佳空间图像。


研究结果为立体显微技术创新奠定了基础,该创新从分辨率和聚焦深度角度,突破了以前令人一筹莫展的极限:FusionOptics™融合光学。FusionOptics™融合光学实现了性能的大幅度提升,对显微镜下的日常工作大有裨益。



双眼的延伸


立体显微镜采用两个独立的光路—— 原理上就像我们两只眼睛的延伸,藉此我们可以观察三维的显微结构。


自从由Horatio S. Greenough发明以来,立体显微镜的工作原理都是基于Ernst Abbe所阐释的光学原理。过去一个多世纪,光学设计人员一直致力于提高放大倍数、分辨率和图像质量,使其达到光学元件允许的极限。


这些极限由分辨率、收敛角( convergence angle)和工作距离等决定。显微镜分辨率越高,左右两侧光路的收敛角越大,可用的工作距离越短。但是增大光轴之间的距离,观察者将看见失真的三维图像;较大的变焦范围本身问题不大,因为放大倍数增大时,光学分辨率并未随之增大。


图1:卡车轴承密封:应力试验后橡胶磨损


极限并非牢不可破


通过对视觉感知和视觉问题的科学研究发现,大脑可以选择性的处理每只眼睛的信息,而且它非常善于补偿两只眼睛视敏度的差异。


这为徕卡开发工程师们提供了一个简单但巧妙的创意:为何不借鉴大脑的这种能力,使显微镜的每个光路用于不同的信息?


一个图像通道提供高分辨率,另一个提供大景深,大脑将两个差异很大的图像合并为一个最佳的空间图像。


全新光学方法FusionOptics™融合光学具有这两个明显的优势,与现有立体显微镜相比,可以大幅提高分辨率,还可以显著增大聚焦深度(景深),且无需增大两个光路之间的收敛角便可提高分辨率。

 

图2:硅表面上数微米高的化学蚀刻金字塔

(图片:Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg, Germany)


图3:有缺陷的直通连接


科研证实新方法


但这种设计的可行性必须首先进行神经生理学评估—— 大脑是否可以将两眼之间差异极大的信号加工成正确的三维图像。早期研究主要关注二维图像,徕卡显微系统向苏黎世大学神经信息学研究所和瑞士联邦理工学院的Daniel Kiper博士描述了上述想法。


Daniel Kiper博士专门研究灵长类动物大脑内信号处理,他同意开展相关研究。Kiper与助教Cornelia Schulthess及徕卡显微系统的Harald Schnitzler博士一起对研究进行设计。


36例视力正常的受试者接受心理物理试验,试验内容为视觉信号的双目合并。研究关注的焦点在于,当两只眼睛接触不同的刺激时是否会发生双眼间的信号抑制。如果发生抑制现象,其结果将是受抑制眼睛的图像只有一部分被感知,或者根本不被感知。

 

Daniel Kiper博士与Cornelia Schulthess


在实验期间,受试者对放置在中央固定点周围的斑块进行观察。视场中或出现格子,或保持统一(图4)。为了使双眼的空间感知产生差异,必须采取双眼视差—— 两只眼睛必须接触不同的刺激。这可以通过使用特殊的立体眼镜而实现,戴上这种眼镜,单独的测试图像可以投射到每一只眼睛。在一系列试验中,受试者看见不同深度平面中变化的格子斑块组合。观察每个图像1,000 msec(毫秒)之后,受试者需告知在何处看到格子斑块,以及它们出现在中央固定点之前还是之后。


对格子斑块位置的正确/错误答案进行的评估,以及不同空间平面的空间分辨率,均未显示显著差异,上述试验没有发现信号抑制的证据。这表明人脑可以利用双眼最优质的信息,构建一个最佳的空间图像。无论图像是通过双眼获得还是每只眼睛提供截然不同的信息,这都是真实的。结果再次证明,我们的大脑在处理视觉印象时非常高效、适应性非常强。

 

图4:视觉刺激简图


A:测试图像的四种可能感知。受试者指出格子出现在哪里,它们出现在固定点前方还是后方。

B:系列试验中不同双目刺激示例(对应于A第第3个图像)。格子出现在同一只眼睛或不同眼睛视野下。还在单眼视野中移动一些斑块(白色箭头)。


FusionOptics™提供独一无二的三维图像


根据研究提供的理论基础,徕卡显微系统得以在全新的立体显微镜中实现Fusion Optics™概念,该立体显微镜是全球第一个变焦范围为20.5:1、分辨率高达525 lp/mm的立体显微镜。这对应于952nm的分辨结构尺寸。如果适当配置,这可以增至高达1,050 lp/mm(结构尺寸476nm)。迄今,光学附件的最大变焦范围仅为16:1,或者增大放大倍数时分辨率并未提高(空放大)。


FusionOptics™实现了性能的大幅度提升,对显微镜下的日常工作大有裨益。新一代物镜工作距离大,允许在观察显微镜载物台上的试样时自由移动,非常方便。无论是半导体技术、塑料开发、材料测试、犯罪学、自然科学还是地球科学——新一代立体显微镜开辟了传统立体显微技术无法企及的新天地。

 

图5:砂布上聚集的氧化铝晶体,晶体尺寸提供不同的磨削能力。


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