FusionOptics —— 高分辨率和景深相結合產生理想的三維光學圖像

我們對視覺環境的感受，80%通過視覺感知獲得。如果沒有空間視覺，我們幾乎無法確定方向。我們的視覺皮質和大腦皮層通過復雜的過程，巧妙地處理著從眼睛看到圖像的信號。最近幾十年，神經科學已經大量了解該過程。由徠卡顯微系統、蘇黎世大學神經信息學研究所和瑞士聯邦理工學院共同開展的一項研究，顯示了我們的大腦如何靈活有效地結合視覺信號創造出優異的空間圖像。研究結果為立體顯微技術創新奠定了基礎，該創新從分辨率和聚焦深度角度，突破了以前：FusionOptics™。FusionOptics™實現了性能的大幅度提升，對顯微鏡下的日常工作大有裨益。

雙眼的延伸

立體顯微鏡采用兩個獨立的光路 —— 原理上就像我們兩只眼睛的延伸，藉此我們可以觀察三維的顯微結構。自從由Horatio S. Greenough發明以來，立體顯微鏡的工作原理都是基于Ernst Abbe所闡釋的光學原理。過去一個多世紀，光學設計人員一直致力于提高放大倍數、分辨率和圖像質量，使其達到光學元件允許的極限。這些極限由分辨率、收斂角和工作距離等決定。顯微鏡分辨率越高，左右兩側光路的收斂角越大，可用的工作距離越短。但是增加光軸之間的距離，觀察者將看見失真的三維圖像；這時物鏡中的立方體則看似一座高塔。較大的變焦范圍本身問題不大，因為放大倍數擴大時，光學分辨率并未隨之變大。結果將是所謂的空放大。

極限并非牢不可破

通過對視覺感知和視覺問題的科學研究發現，大腦可以選擇性的處理每只眼睛的信息，而且它非常善于補償兩只眼睛視敏度的差異。這為徠卡顯微系統開發工程師們提供了一個簡單但巧妙的創意。為何不借鑒大腦的這種能力，使顯微鏡的每個光路用于不同的信息？一個圖像通道提供高分辨率，另一個提供景深。大腦將兩個差異很大的圖像合并為一個空間圖像。全新光學方法FusionOptics™具有兩個明顯的優勢。與現有立體顯微鏡相比，可以大幅提高分辨率，還可以顯著增加聚焦深度。另外，無需增加兩個光路之間的收斂角便可提高分辨率。

科研證實新方法

但這種設計的可行性必須首先進行神經生理學評估 —— 大腦是否可以將兩眼之間差異很大的信號加工成正確的三維圖像。早期研究主要關注二維圖像。徠卡顯微系統向蘇黎世大學神經信息學研究所和瑞士聯邦理工學院的Daniel Kiper博士描述了上述想法。Daniel Kiper博士專門研究靈長類動物大腦內信號處理，他同意開展相關研究。Kiper與助教Cornelia Schulthess及徠卡顯微系統的Harald Schnitzler博士一起對研究進行設計。36例視力正常的受試者接受心理物理試驗，試驗內容為視覺信號的雙目合并。研究關注的焦點在于，當兩只眼睛接觸不同的刺激時是否會發生雙眼間的信號抑制。如果發生抑制現象，其結果將是受抑制眼睛的圖像只有一部分被感知，或者根本不被感知。

在實驗期間，受試者對放置在中央固定點周圍的斑塊進行觀察。視場中或出現格子，或保持統一（圖4）。為了使雙眼的空間感知產生差異，必須采取雙眼視差 —— 兩只眼睛必須接觸不同的刺激。這可以通過使用特殊的立體眼鏡而實現，戴上這種眼鏡，單獨的測試圖像可以投射到每一只眼睛。在一系列試驗中，受試者看見不同深度平面中變化的格子斑塊組合。觀察每個圖像1,000 msec（毫秒）之后，受試者需告知在何處看到格子斑塊，以及它們出現在中央固定點之前還是之后。

對格子斑塊位置的正確/錯誤答案進行的評估，以及不同空間平面的空間分辨率，均未顯示顯著差異。上述試驗沒有發現信號抑制的證據。這表明人腦可以利用雙眼優質的信息，構建一個最佳的空間圖像。無論圖像是通過雙眼獲得還是每只眼睛提供截然不同的信息，這都是真實的。結果再次證明，我們的大腦在處理視覺印象時非常高效、適應性非常強。

圖4：視覺刺激簡圖。A：測試圖像的四種可能感知。受試者指出格子出現在哪里，它們出現在固定點前方還是后方。B：系列試驗中不同雙目刺激示例（對應于A的第3個圖像）。格子出現在同一只眼睛或不同眼睛視野下。還在單眼視野中移動一些斑塊（白色箭頭）。

FusionOptics™提供的三維圖像

根據研究提供的理論基礎，徠卡顯微系統得以在全新的立體顯微鏡中實現Fusion Optics™概念，該立體顯微鏡是變焦范圍為20.5:1、分辨率高達525 lp/mm的立體顯微鏡。這對應于952nm的分辨結構尺寸。如果適當配置，這可以增至高達1,050 lp/mm（結構尺寸476nm）。迄今，光學附件的最大變焦范圍僅為16:1，或者增大放大倍數時分辨率并未提高（空放大）。
FusionOptics™實現了性能的大幅度提升，對顯微鏡下的日常工作大有裨益。新一代物鏡工作距離大，允許在觀察顯微鏡載物臺上的試樣時自由移動，非常方便。無論是半導體技術、塑料開發、材料測試、自然科學還是地球科學——新一代立體顯微鏡開辟了傳統立體顯微技術無法企及的新天地。