聚焦 |?景深扩展和三维重构的连续光学变焦显微镜

论文导读

      显微镜被誉为打开微观世界大门的钥匙。自显微镜诞生以来，放大倍率一直是衡量显微镜功能的一项重要指标，目前广泛使用的显微物镜均依靠更换镜头的方式实现倍率切换，倍率切换后，需重新调整待测样本位置，大大限制了显微观测的稳定性、适应性和实时性。

      近日，北京航空航天大学王琼华教授研究团队提出了一种基于液体透镜的连续光学变焦显微镜，可通过电压调制液体透镜焦距实现显微倍率的连续变化。同时，提出了一种改进型形状聚焦和图像融合算法，并利用液体透镜调节显微镜轴向聚焦位置，获得样本不同深度的图像，进而实现样本的景深扩展和三维重建。该显微镜具有无机械移动、响应快速、功耗低等优点，有望应用于病理诊断、生物检测等领域。该成果以“Continuous optical zoom microscope with extended depth of field and 3D reconstruction”为题发表在国际顶尖学术期刊PhotoniX上。

研究背景

      显微镜是生物医学、微型制造、工业检验和其他科学技术领域中最基本的设备之一。传统显微镜需要通过手动转换物镜来改变放大倍率，物镜转换带来视场改变，一般需要重新对焦，这将导致系统抖动、响应速度慢等问题。同时，传统光学显微镜景深有限，对于有一定深度的样本，单次采集很难完全获得样本的全部信息，只有位于景深范围内的部分才清晰可见。传统解决景深限制的方法是通过轴向移动样品，改变样本与焦平面的相对位置来获取样品不同深度表面的局部聚焦图像。但该方法存在响应时间慢、对焦精度低等缺点，不利于对动态样本进行实时观测。近年来新兴的液体透镜是一种由液体填充而成，通过电控或外部驱动调节液体界面进而实现动态变焦的透镜，其具有高速响应、自适应变焦和低消耗等优势，目前已经在显微系统、照相系统中得到广泛应用。

技术突破

      研究人员提出了一种基于液体透镜的连续光学变焦显微成像镜，该显微镜由变焦物镜、可调节的三维物体台、阿贝聚光镜和LED光源组成，如图1(a)所示。变焦物镜由若干电润湿液体透镜和固体透镜组成。通过调制施加到液体透镜上的电压，显微镜的放大倍率可以实现从10倍到60倍的自适应连续调节，如图1(b)所示。倍率切换的响应时间约为50ms。在变焦过程中，显微镜的分辨率可以达到512 lp/mm以上。

      此外，研究人员提出了拉普拉斯金字塔图像融合的算法来扩展景深。选取多幅不同深度图像的部分聚焦区域，融合为一幅清晰的全聚焦图像。实际可看作是一组“z轴叠加”图像，该图像中包含样本的所有聚焦信息。在此基础上，研究人员基于聚焦法显微三维重建算法原理，提出了一种改进型聚焦法算法，无需借助成像模型等先验知识，仅根据像素聚焦程度与其深度之间的对应关系进行三维重建。研究人员利用聚焦评价算子的值是否具有高斯分布特性，来去除不符合高斯分布的噪声点，其中聚焦评价算子采用改进型求和拉普拉斯算子。根据样本曲面的连续性，合理利用周围的深度值，估计噪声点处的深度值，完成样本的三维重建，使观测者有良好的视觉感受，如图2所示。

观点评述

      研究人员研制了一种具有景深扩展和三维重建功能的连续光学变焦显微镜。通过电压调节液体透镜焦距，该显微镜可以在~50 ms的响应时间内，实现放大倍率在10倍至60倍范围内的连续变化。显微镜在变焦过程中的分辨率可以达到512 lp/mm以上。在固定工作距离的前提下，该显微镜可以进行快速轴向深度扫描，实现景深扩展和三维重建功能。该显微镜可广泛应用于生化检测和病理诊断等领域。

主要作者

      刘超，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院副教授、博士生导师。研究方向为液体光子器件与成像技术。主持国家级/省部级项目共6项，合著专著1部，授权中国发明专利31件，发表SCI论文50余篇。

      江钊，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院博士研究生。研究方向为液体光子器件与成像技术。

      王琼华，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授、博士生导师。教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家重点研发计划项目负责人、国际信息显示学会Fellow和PhotoniX等国际学术期刊的Associate Editor。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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