為什么?共聚焦顯微鏡能做三維重建？

ninali

三維重建正是共聚焦顯微鏡核心、強(qiáng)大的功能之一。它之所以能完成精細(xì)的三維重建，而傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡不能，全靠其獨(dú)特的??“光學(xué)切片”??能力。  
我們可以用一個(gè)生動(dòng)的比喻來(lái)理解：  
??傳統(tǒng)顯微鏡??：像一臺(tái)??傻瓜相機(jī)??，拍照時(shí)會(huì)把前景、主體和背景全部拍進(jìn)一張照片里，所有信息都疊加在一起，無(wú)法區(qū)分遠(yuǎn)近。  
??共聚焦顯微鏡??：像一位??雕塑家??，他用“刀”（激光和針孔）一層一層地把樣本削薄，對(duì)每一層橫截面進(jìn)行精準(zhǔn)的雕刻和記錄，最后再把這些切片堆疊起來(lái)，還原出完整的、立體的雕塑。  
??實(shí)現(xiàn)三維重建的技術(shù)原理：三大關(guān)鍵設(shè)計(jì)??  
共聚焦顯微鏡實(shí)現(xiàn)三維重建，依賴于以下三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)的協(xié)同工作：  
??1.點(diǎn)照明：精準(zhǔn)的“雕刻刀”??  
共聚焦顯微鏡使用激光作為光源，并通過(guò)一個(gè)針孔將其聚焦成一個(gè)非常小的??光點(diǎn)??。這個(gè)光點(diǎn)只照亮樣本上某一個(gè)極小的、特定的焦點(diǎn)區(qū)域。  
??2.點(diǎn)探測(cè)：嚴(yán)格的“門衛(wèi)”??  
這是最關(guān)鍵的一步。在探測(cè)器（通常是光電倍增管PMT）前方，也有一個(gè)??針孔??。這個(gè)針孔的位置被精心設(shè)計(jì)為與照明焦點(diǎn)是??共軛的??（即“共聚焦”的由來(lái)），意思是“共用同一個(gè)焦點(diǎn)”。  
??焦平面上的光??：從被照亮點(diǎn)發(fā)出的熒光可以很好地聚焦，并順利通過(guò)針孔，被探測(cè)器接收。  
??非焦平面的光??：來(lái)自焦斑上方或下方的散射光無(wú)法聚焦在探測(cè)器的針孔上，絕大部分會(huì)被針孔??阻擋在外??。  
??3.Z軸步進(jìn)掃描：逐層“切片”??  
顯微鏡的載物臺(tái)或物鏡配備了高精度的步進(jìn)電機(jī)，可以沿著Z軸（上下方向）進(jìn)行納米級(jí)精度的移動(dòng)。  
??定位第一層??：將焦點(diǎn)調(diào)整到樣本的最頂部。  
??掃描一層??：進(jìn)行二維（X-Y方向）掃描，獲取一張??僅包含該焦平面信息??的、背景模糊被消除的清晰圖像。這就是第一張“光學(xué)切片”。  
??下移一層??：步進(jìn)電機(jī)控制鏡頭向下移動(dòng)一個(gè)微小的距離（例如0.1或0.2微米）。  
??重復(fù)掃描??：再次掃描，獲取第二張光學(xué)切片。  
??循環(huán)過(guò)程??：重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到掃描完樣本的整個(gè)厚度。  
??從“切片”到“三維”：計(jì)算機(jī)重建??  
完成上述掃描后，你得到的不是一個(gè)模糊的圖像，而是一系列??從頂部到底部的、清晰的二維光學(xué)切片??。每一層都包含了樣本不同深度的精確信息。  
隨后，計(jì)算機(jī)軟件會(huì)：  
??對(duì)齊切片??：將所有二維圖像序列按照Z(yǔ)軸位置進(jìn)行對(duì)齊。  
??三維重建??：通過(guò)算法將這些切片堆疊起來(lái)，重構(gòu)成一個(gè)??三維的數(shù)據(jù)集??。  
??可視化與分析??：你可以對(duì)這個(gè)三維模型進(jìn)行各種操作：  
??360度旋轉(zhuǎn)??，從任何角度觀察。  
??虛擬剖切??，查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)。  
??測(cè)量??體積、厚度、距離等三維參數(shù)。  
??渲染??生成3D效果圖。

風(fēng)吹一夏

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二的大寫

我對(duì)此也有一些看法，想和大家討論一下。