Lichtfeld-Mikroskop: Neues System ermöglicht 3D-Mikroskopie in Echtzeit

Einer der spannendsten wissenschaftlichen Bereiche, in dem Lichtfeld-Technologie (oder Plenoptische Technologie) großes Potential birgt, ist die Mikroskopie: Hier ist einerseits die Schärfentiefe sehr begrenzt, andererseits ermöglichen Mikroskope uns, Strukturen kleinster Größenordnungen zu sehen und erforschen. Erweiterte Schärfentiefe und 3D Rekonstruktion eröffnet hier viele Möglichkeiten, z.B. ein besseres Verständnis der dreidimensionalen inneren Struktur von Pflanzen- und Tierzellen bzw. Geweben.
3D-Aufnahmen mit Multi-Kamera-Lösungen sind in der Mikroskopie besonders schwierig, unter anderem durch die Platzknappheit und den starken Parallaxen-Effekt. Lichtfeld Technik ist daher wie geschaffen für 3D-Mikroskopie. Bis jetzt ist die Technologie allerdings noch von rechenintensiver, nachträglicher Datenaufbereitung geprägt, die Echtzeit-Anwendungen und -Beobachtungen stark einschränkt.

In einer Publikation im Journal Optics Express stellen Wissenschafter der Seoul National University und Harvard Medical School in Boston jetzt ein neues System für Lichtfeld-Mikroskopie vor, das die Live-Anzeige des Bildausschnitts in Echtzeit ermöglicht.

Abstract: We propose a real-time integral imaging system for light field microscopy systems. To implement a 3D live in-vivo experimental environment for multiple experimentalists, we generate elemental images for an integral imaging system from the captured light field with a light field microscope in real-time.
We apply the f-number matching method to generate an elemental image to reconstruct an undistorted 3D image. Our implemented system produces real and orthoscopic 3D images of micro objects in 16 frames per second. We verify the proposed system via experiments using Caenorhabditis elegans.

Im vorgestellten Aufbau kommt (wie auch bei der herkömmlichen Durchlicht-Mikroskopie) Licht aus einer inkohärenten Lichtquelle und durchscheint das Objekt. Anschließend werden die Lichtstrahlen durch das Objektiv auf das Mikrolinsen-Raster (125 µm Linsenabstand, 2,5 mm Brennweite) übertragen. Das kodierte Bild gelangt anschließend durch ein Relais-Objektiv (in diesem Fall ein Canon EF 100 mm f/2.8 Macro USM Objektiv) auf den CCD-Sensor am oberen Ende des Aufbaus. Aufgenommene Bilder werden anhand eines “Echtzeit Pixel Mapping” Algorithmus von Jung et al. (2013) analysiert, und anschließend in zusätzlichen Bildanalyse-Schritten weiter verrechnet, um auf das Display-Linsenraster angepasste “Elementarbilder” zu erstellen.
Auf der Display-Seite des Systems werden diese Elementarbilder auf einem hochauflösenden LCD (IBM 22-Zoll, 3840 x 2400 Pixel, 0.1245 mm Pixelabstand) dargestellt, und gelangen durch ein 1 mm Linsenraster (3,3 mm Brennweite) als orthoskopische 3D-Live-Ansicht zum Auge des Betrachters.
Das CCD-Modul sammelt Bilddaten zwar mit 32 Bildern pro Sekunde (fps), aktuelle Beschränkungen im Pixel-Mapping Algorithmus beschränken die Echtzeit-Wiedergabe allerdings auf 16 fps.

Das neue System ermöglicht neben der Echtzeit-Beobachtung von Mikroskop-Proben auch die gleichzeitige Ansicht der 3D Display-Ausgabe durch mehrere Betrachter. Weiter unten finden sich noch 3 sehenswerte Links zu Videomaterial.

Videos:
Video 1: Synchrone Ansicht eines Präparats aus verschiedenen Perspektiven
Video 2: Perspektiven-Anzeige rekonstruierter 3D-Bilder durch generierte Elementarbilder
Video 3: Konzept-Video eines 3D-Experiments in Echtzeit

Nähere Informationen: Ki J, Jung J-H, Jeong Y, Hong K, Lee B. 2014. Real-time integral imaging system for light field microscopy. Optics Express 22: 10210-10220. http://dx.doi.org/10.1364/OE.22.010210