综述:结构照明显微镜性能提升技术的最新进展:综述

《Optics and Lasers in Engineering》:Recent advances in Performance Enhancement Technologies for Structured Illumination Microscopy: A Comprehensive Review

【字体: 时间:2025年07月18日 来源:Optics and Lasers in Engineering 3.5

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  本文提出一种先进的动态扩展视场光场显示系统,通过集成角对齐透镜阵列(AALA)、紧凑型电动力学微光束偏转器(μBD)和基于深度学习的自适应眼追踪模块(AET),实时根据观察者位置调整光束指向,显著扩展水平视场角并保持高三维图像保真度。实验验证了该系统在视场优化方面的有效性。

  

摘要

我们提出了一种先进的光场显示系统,该系统通过集成角对准透镜阵列(ALAA)、紧凑型电驱动微束偏转器(μBD)和基于深度学习的自适应眼动追踪(AET)模块,动态扩展了有效视场范围。通过根据观察者的位置将光线引导至ALAA中选择性激活的部分,该系统显著拓宽了水平视场(FoV),同时保持了高三维(3D)图像保真度。为了实现这一功能,专门设计了一种微型μBD用于实时光束偏转,而AET模块则针对快速准确的横向眼动追踪进行了优化。当观察者横向移动时,系统会自动将预先生成的基本图像阵列(EIA)导向相应的ALAA部分,从而在整个扩展的FoV内实现连续且无缝的3D可视化。所提出系统的视场区域经过精心设计,以防止相邻区域重建的图像之间发生重叠。特别是在动态切换视角的状态下,系统能够有效抑制由于μBD的光束偏转效率限制而产生的非衍射光束噪声,从而减少对观察者侧视区域的影响。实验结果表明,这种架构为克服传统光场显示的固有视场限制提供了一种可扩展且有效的解决方案。

引言

光场三维(3D)成像日益被视为下一代沉浸式系统的核心技术,能够提供真实和虚拟场景的全视差和自然视图[[1], [2], [3], [4]]。在各种实现方法中,积分成像因其相对简单的光学配置以及通过基本图像阵列(EIAs)重建立体场景的能力而受到广泛关注[[3], [4], [5], [6]]。尽管具有这些优势,传统的积分成像系统在视场(FoV)、景深和空间分辨率方面仍存在固有局限,这些限制主要受透镜阵列和系统架构参数的影响。
为了解决这些问题,人们探索了多种光学和计算策略,包括透镜移动、空间复用、图像插值以及基于深度学习的重建算法[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。然而,虽然这些方法可以提高分辨率和深度保真度,但扩展视场通常需要对光学系统进行物理修改[[17], [18], [19], [20], [21]]。传统方法(如增大基本透镜尺寸或缩短焦距)往往会降低分辨率并降低深度感知[5,6],这凸显了寻找无需牺牲关键视觉属性即可扩展视场的替代策略的迫切需求。此外,计算机生成的积分成像中的广角编码和基于正交视图的重建技术虽然在理论上具有增强视场的潜力,但由于其复杂性及相关的性能折中,实际应用中并不实用[22,23]。
一些研究提出使用曲率型透镜阵列来物理扩展视场。实验表明,在高折射率环境中,当使用曲面透镜阵列与平面或曲面屏幕结合时,观看角度几乎可以翻倍[[24], [25], [26], [27], [28], [29]]。还引入了一种具有可调曲率的多层透镜阵列(Adaptive),以实现传统操作模式和广角操作模式之间的切换[30]。尽管这种设计带来了明显的改进,但在不同曲率状态下生成合适的基本图像阵列(EIA)并保持精确的光学对准仍面临挑战。其他策略则涉及将视场划分为多个区域,从而在不改变核心光学配置的情况下扩展3D可视化的空间范围[[31], [32], [33], [34], [35]]。
与此同时,场切换式液晶(LC)技术的发展催生了新的动态光学控制形式[[36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]]。例如,基于具有快速缩放响应和大光圈能力的液晶透镜的全息图像采集和重建系统已被证明非常有效,可用于捕获和重建来自真实世界物体的3D全息数据[39,40]。通过利用空间场模式的LC相位分布,LC透镜阵列现在支持无需机械驱动即可进行电调谐的透镜移动[[41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48]],而基于LC的束偏转装置(BSDs)则提供了适合于轻薄光学模块的紧凑型电压控制棱镜功能[[49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]]。这些BSDs通过图案化的电极场在有效折射率中创建空间梯度,实现了灵活的束偏转,同时保持了紧凑的尺寸。
在此背景下,我们介绍了一种积分成像显示系统,该系统集成了角对准透镜阵列(ALAA)、定制设计的电驱动微束偏转器(μBD)和实时自适应眼动追踪(AET)模块。μBD根据AET模块提供的实时眼位数据,动态将入射光束导向ALAA的选定部分。这种同步协调显著扩展了有效水平视场,同时保持了图像保真度、准确的深度提示和一致的视差。实验结果证实,所提出的系统为克服传统光场显示的长期视场限制提供了一种实用且可扩展的解决方案。

系统概述

提出的系统

图1展示了所提出的积分成像显示系统的光学配置,该系统通过协调的光束偏转和自适应视图选择来扩展有效视场范围。系统包括一个显示面板、一对配置为4f中继系统的准直透镜、一个紧凑型电驱动μBD、一个ALAA以及一个集成在相机中的AET模块。显示面板位于第一个准直透镜(fCL1)的焦平面上,而μBD则位于...

实验结果

图5展示了所提出的积分成像显示系统的实验原型。光学系统包括一个分辨率为1920 × 1080像素、像素间距约为4.4 μm的DLP迷你投影仪,作为图像源。投影光束通过一个双透镜4f准直模块,该模块由两个焦距分别为fCL1 = 50 mm和fCL2 = 70 mm的平凸透镜组成。ALAA被划分为三个部分:左侧、中间和右侧...

结论

在这项研究中,我们提出了一种视场自适应的积分成像3D显示系统,解决了传统架构的固有视场限制问题。通过集成ALAA、定制设计的电驱动μBD和实时AET模块,该系统能够根据观察者的侧向视线位置动态将入射光导向ALAA的适当角度部分。这种配置显著扩展了水平视场范围,同时保持了高保真度的深度...

作者贡献声明

Munkh-Uchral Erdenebat:撰写——原始草稿、可视化、软件开发、形式分析、数据管理、概念构思。Erkhembaatar Dashdavaa:撰写——审阅与编辑、形式分析、概念构思。Tuvshinjargal Amgalan:软件开发、概念构思。Nam Kim:撰写——审阅与编辑、验证、数据分析。Jin-Hyeok Seo:数据分析、形式分析。Min-Seok Kim:形式分析、数据管理。Jun Do:撰写——审阅与编辑、资源协调。Anar Khuderchuluun:撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了韩国政府(MSIT)资助的韩国国家研究基金会(NRF)(编号:RS-2024-00416272)的支持。此外,该研究还得到了韩国政府国防采购计划管理局和贸易、工业及能源部资助的军民技术合作研究所(编号:UM22203RD2)的财政支持。
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