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基于事件传感的显微快速自动对焦技术 (OLE)

事件传感助力高速显微自动对焦

 

Millisecond autofocusing microscopy using neuromorphic event sensing
本期导读

 

高效且准确的自动对焦Auto-focus技术是许多显微成像应用中的重要一环。现有的自动对焦方法大多需要复杂的硬件光路设计或缓慢的软件算法。针对该问题，来自香港大学的研究人员利用神经形态事件传感（Event Sensing）技术，开发了一种高速显微自动聚焦系统，通过异步检测稀疏亮度的变化来对标本的移动做出快速响应。实验结果表明所提出的自动对焦方法全过程仅需十几毫秒，并且适用于明场和暗场显微成像术。该工作近期以论文形式发表于光学领域老牌期刊《Optics and Lasers in Engineering》上。
技术路线

 

不同于传统的CCD或者CMOS传感器，事件传感器(Event Sensor)只探测亮度的变化，并产生异步的事件信号（图1）。这样的传感方式具有高时间分辨，高动态范围，低数据冗余，低功耗等优点。

基于事件传感的显微快速自动对焦技术 (OLE)

图1. 事件传感器探测亮度的变化，并产生ON和OFF事件信息。

研究人员发现，在对焦过程中，样本的轴向移动会导致在传感器平面接受到的亮度信号发生改变，使用事件传感器可以高效地探测该亮度变化信息（图2(a)）。通过将事件生成模型带入到轴向点扩散函数（Point Spread Function），所得的结果近似为“M”形，中间的谷点即为对焦位置（图2(b)）。

基于事件传感的显微快速自动对焦技术 (OLE)

图2. (a) 样本沿z轴移动时，亮度的变化产生ON和OFF事件信息；(b)根据事件产生的速率判定对焦位置。

传统的软件对焦算法需要采集样本在不同深度位置的图片，每次采集过程都是一次样本运动-停止-拍摄的循环，并且为了提升对焦结果的精度，需要多次重复该过程，导致耗时巨大。该研究工作借助于事件传感器的高时间分辨特性，允许样本在高速的连续运动中捕捉到亮度的变化，大幅减少数据的采集时间。同时，由于事件数据的低冗余特性，也大幅降低了存储消耗和数据处理时间。试验装置如图3(a)所示，利用DAVIS346事件相机可以同时获得彩色图片信息和事件信息，因此对焦系统不需要额外的副相机和分光镜光路。

 

基于事件传感的显微快速自动对焦技术 (OLE)

图3. （a） 利用事件传感器的显微自动对焦系统；（b） 利用DAVIS346事件相机可以同时获得彩色图片信息和事件信息。

图4展示了精巢、肺血管和洋葱细胞样本的自动对焦结果以及在预测深度拍摄得到的图像。试验结果呈现“V”形，是因为样品移动距离正好处在“M” （图2(b)）的中间段。实验中整个对焦过程仅需13ms（其中数据采集耗时10ms，数据处理和计算耗时3ms），在提升速度的同时对焦精度达到0.5um，能够满足大多数光学显微镜的应用需求。

基于事件传感的显微快速自动对焦技术 (OLE)

图4. （a）-（c）精巢、肺血管和洋葱细胞样本的自动对焦结果;（d）-（f）在预测深度拍摄得到的图像。

简单小结：该研究提出了一种基于事件传感的高速显微自动对焦技术，借助于神经形态事件传感技术，该方法在不需要复杂硬件光路设计下能够实现毫秒级的对焦速度和亚微米级的对焦精度。其实验结果表明，该方法对于显微成像中自动对焦性能有很大提升，尤其地，对于全视野数字切片扫描（Whole Slide Imaging）和光片照明显微镜（Light Sheet Microscopy）等技术具有应用潜力。值得注意的是，现有技术方案需要物体沿着轴向运动，对于不受控的生物样本存在检测的局限性。

 

论文信息：

  • Ge Z, Wei H, Xu F, et al. Millisecond autofocusing microscopy using neuromorphic event sensing[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2023, 160: 107247.
技术详见：

https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2022.107247

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