CN109074674B - 具有选择性体积照射和光场检测的优化容积成像 - Google Patents

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Abstract

一方面，涉及利用使用光场检测的选择性体积照射(SVI)优化容积成像的系统和技术包括：光源，被配置为发射照射光，该照射光经由照射光路传播以照射三维(3D)样本；以及光学系统，相对于光源被布置以接收来自被照射的3D样本的光场，其中该光场经由检测光路传播；其中光源、光学系统或这两者可配置为基于将要被照射的3D样本和将要应用的光场检测(LFD)处理来选择3D样本的3D受限照射的体积。

Description

具有选择性体积照射和光场检测的优化容积成像
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月26日提交的题为“OPTIMIZED VOLUMETRIC IMAGING WITHSELECTIVE VOLUME ILLUMINAYION AND LIGHT FIELD DETECTION”的美国专利申请第62/300,469号在35U.S.C.§119(e)下的权益，通过引用将其整体并入本文。
背景技术
本说明书涉及使用利用诸如显微镜平台的生物分子成像系统使用光场检测来优化容积成像(volumetric imaging)。
各种生物处理可以依赖于在跨组织规模三维(3D)空间的细胞之间的紧密的空间-时间协调。因此，存在对于可以以细胞分辨率成像、提供3D分割、并且以足够快的速度以如实地捕获动态处理的容积成像工具的需求。在一些情况下，利用扫描方法来满足对生物容积成像的需求：一次一个点、线或平面收集光学信号，然后分别在3D、2D或1D中扫描激励区域，以覆盖样本的整个3D感兴趣区域。由于扫描处理的顺序性，数据获取速度可能会很慢。而且，由于顺序扫描，3D样本的不同部分的信息在不同时间被收集，因此动态信息可能会丢失或失真。因此，存在对同步的容积实况成像模态的需要，其中单个快照可以捕获组织规模的轴向延伸体积上的空间信息，同时维持单个或几个细胞的分辨率。
可以提供同步容积成像能力的现有成像模态是光场显微法(LFM)。然而，LFM技术使用宽场(wide-field)照射，实质上照亮了整个样本，即使在重建中只有样本的一部分被有意义地捕获。因此，宽场照射引入了外来背景和噪声，潜在地降低了最终重建的图像的对比度和准确度。
发明内容
本说明书涉及通过在诸如显微法平台的生物医学成像系统中所利用的光场检测使用选择性体积照射(SVI)来优化容积成像的系统和技术。
一般来说，本说明书中描述的主题的一个或多个方面可以体现在一个或多个系统中，该一个或多个系统包括：光源，被配置为发射照射光，该照射光经由照射光路传播以照射三维(3D)样本；以及光学系统，相对于光源被布置以接收来自被照射的3D样本的光场，其中该光场经由检测光路传播；其中光源、光学系统或两者可配置为基于将要被照射的3D样本和将要被应用的光场检测(LFD)处理来选择3D样本的3D受限(confined)照射的体积。
可以实施本说明书中描述的主题的特定实施例以实现以下优点中的一个或多个。所描述的系统和技术可以实现与提供SVI相关联的优点，其中仅照射3D样本的相关部分，从而显著降低背景信号并为光场图像重建提供更高的对比度和准确度。所公开的技术实施扫描的光学体积SVI，该扫描的光学体积SVI在定义SVI时提供了低至微米级的精度。静态光学体积SVI降低了在成像期间对生物样本的光致损伤的可能性。
所公开的技术和系统在传统的显微法平台的结构内使用相同的配置、利用相同的研究下的样本，实施选择性体积照射光场检测(SVI-LFD)成像能力，以除了光场重建的容积图像之外还记录高分辨率的、光学分割的(optically-sectioned)3D图像(使用传统显微法模式)。SVI方法可以提高在光场成像中使用的计算重建的速度和准确度。SVI技术利用更小、更受约束的激励体积，允许更快、更少噪声和更强健的计算重建。实施多视图光场检测(LFD)成像技术，该技术通过组合从多个方向对样本成像而捕获的图像数据来实现最终的容积图像的增强的分辨率。
本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中阐述。本发明的其它特征、方面和优点将从说明书、附图和权利要求中变得显而易见。
附图说明
图1示出了被采用以使用光场检测来提供选择性体积照射(SVI)的容积成像系统的示例。
图2A至2C示出了用于实施本文描述的可应用于各种静态光学体积和扫描的光学体积方法的SVI技术的一般光学几何结构的示例。
图2D示出了根据扫描的光学体积方法的用于实施本文描述的SVI技术的光学几何结构的示例。
图3A示出了用于与SVI-LFD成像技术的内窥镜实施方式一起使用的多芯光纤的示例。
图3B至3F示出了用于与SVI-LFD成像技术的内窥镜实施方式一起使用的光学几何结构的示例。
图4A至4C示出了用于与使用多视图LFD成像技术的SVI的实施方式一起使用的光学几何结构的示例。
各附图中相似的附图编号和指定指示相似的元件。
具体实施方式
图1示出了被采用以使用光场检测来提供选择性体积照射(SVI)的容积成像系统100的示例。例如，容积成像系统100提供光场能力，诸如支持显微镜样本126的3D重建。根据实施例，可以采用容积成像系统100来以可以捕获动态过程的速度(例如，低分辨率/高速容积)来提供3D分割和以细胞的或更好的分辨率的3D成像。如图1所示，该系统集成了各种硬件、软件和固件部件，它们协调操作以实现实施例的选择性体积照射技术，从而照射样本126的3D受限照射，该样本126是已经被确定为与容积成像实质上相关的3D样本的特定部分。也就是说，3D受限照射是将由用于成像的照射光特别激励的3D样本126的所选择体积。
容积成像系统100在图1中示出为包括：容积成像装置105；LFD机构115；网络135；和计算机140。容积成像装置105包括被布置成发射用于照射要被成像的3D样本126的体积的光的系统100的各种部件。在一些实施例中，容积成像系统100被实施为提供对比增强剂的光场成像。例如，样本126中对比剂(contrast agent)的光化学物理特性可以通过暴露于照射光而被改变，在样本126的3D选择性体积中呈现增强的对比度。一旦对比剂的性质在选择性体积中已经改变，即使利用传统的宽场照射，也可以实现所述体积的高对比度LFD成像。对比剂可以包括：光激活的或可光转换的荧光蛋白，或者光激活的或可光转换的合成颗粒，诸如但不限于纳米颗粒或量子点。
如图所示，容积成像装置105包括：光源106；光学系统110；和显微镜组件125。光学系统110包括一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件被布置用于调整装置105的光学几何结构，以提供到3D样本126和到检测机构115的光学路径。作为示例，光学系统110被示出为包括各种光学元件，诸如一个或多个透镜112和镜(mirror)114。然而，在认为必要和/或适当时，光学系统110的各个部件可以被改变或以其它方式被配置，用于实施与期望的SVI-LFD成像技术相对应的光学几何结构。在一些实施方式中，光学系统110是可以改装到显微镜组件125的附加模块，该显微镜组件125例如包括可切换的光学部件和光学几何结构。而且，在一些实施方式中，显微镜组件125可以最初被设计和制造为具有与其一起集成的SVI-LFD能力，并且包括所有必要的部件，诸如光学系统110。附加的透镜和/或其它光学元件可以被组合以形成例如系统100的物镜。例如，这些元件可以通过被安置到显微镜组件125的部分而安装。此外，可以将SVI光臂(light arm)添加到显微镜组件125。例如，SVI光臂可以通过部分反射分束器或分色镜(用于不同颜色的照射或检测光)耦合到点扫描共焦显微镜。
容积成像系统100可以包括容积成像装置105，该容积成像装置105能够被配置用于实施所描述的SVI-LFD成像技术，从而与以照亮或照射整个样本的方式操作的一些现有容积成像技术相比显著地减少信号背景。因此，容积成像系统100可以被用于将来自光源106的照射限制到样本126的3D受限照射的所选择的体积，该所选择的体积可以是小于整个3D样本126的任何体积。因此，系统100实现了通过光场检测(LFD)机构115提供光场图像重建的更高对比度和准确度的解决方案。
显微镜组件125可以是配置用于实施现有显微法成像能力的显微法平台。例如，显微镜组件125是能够根据一些现有的显微法成像模态在3D中执行高分辨率光学分割的点光栅扫描共焦显微镜。通过显微镜组件125的高分辨率成像能力收集的高分辨率图像数据可以用于增强SVI-LFD图像数据的图像重建的速度、分辨率、对比度或准确度。在一些情况下，以亚微米至2微米的分辨率来执行光学分割。在一些实施方式中，显微镜组件125是光片显微镜。与显微镜组件125相关联的显微法功能可以使用具有与在SVI-LFD成像功能中使用的光束不同的传播特性(例如，宽度、发散度、横截面积、波束形状)的光束。可以使用诸如圆柱形透镜、球面透镜、工程漫射体(engineered diffuser)、棱镜等的光学部件来实施产生可分别由成像模式中的每个成像模式适当采用的照射光。
因此，除了具有较低分辨率的光场重建3D图像或光场图像之外，容积成像系统100还可以用于记录高分辨率3D图像或结构图像。在一些情况下，使用系统100的显微镜能力获得的结构图像被用来增强光场图像的计算重建。从概念上来说，由于两种图像具有相同的样本区域，在图像捕获之间潜在地被分隔开短时间，因此可以从两种成像模式中获得与样本的感兴趣体积相关的信息。从而，结构图像的高分辨率、丰富的信息内容可以用来引导SVI-LFD图像的重建。在一些情况下，结合光场重建使用结构成像可以提供优点，比如加快重建的处理(例如，更快地提供收敛的解决方案)和/或约束重建以产生更准确的结果。
根据SVI技术，光源106可以被实施为可与现有显微法平台一起使用的照射机构。而且，作为光源106，连续波激光可以用于线性信号对比度，脉冲激光用于非线性信号对比度。附加地或可替代地，SVI技术可以用非相干或低相干光来实施，比如发光二极管(LED)。在对于光源106使用非相干机制的情况下，SVI照亮扩展的体积。在一些实施方式中，光源106是相干光机制。在这种情况下，通过使用相干照射光实现的相长和相消光干涉的特定空间区域可以实施光场成像的SVI方面。用于实施光源106的相干光机制的示例可以包括全息术、干涉测量法等。此外，光源106可以用于产生具有改变样本中对比剂的光化学物理特性所必需的特性的照射光，在样本的3D选择性体积中呈现增强的对比度。在一些实施方式中，一个或多个附加光源可以与光源106一起使用。例如，可以使用附加的光源来提供对比度增强剂的光场成像。
可以利用光场检测机构115以基于光场检测技术来检测和生成图像数据。另外，在一个实施方式中，LFD检测机构115可以包括相机，该相机包括在可以将光场重新定向到例如传感器的微透镜阵列的平面中形成图像的光学器件。在一些实施方式中，LFD机构115可以生成LFD成像(imagery)作为直接在计算机屏幕145上显示得到的图像的数字信息。在认为必要或适当时，LFD机构115可以采用其它形式的光场检测和成像。在将SVI-LFD成像能力合并到显微镜组件125中时，附加的基于LFD的成像部件可以被设计为显微法平台的扩展(add-on)模块，作为LFD机构115。作为示例，相机检测路径可以被添加到装置的光学几何结构，并且能够捕获LFD成像的相机被包括在LFD机构115中。
此外，本文公开的SVI技术可以与各种其它LFD技术结合使用，包括但不限于：具有相位掩模的波前编码；空间光调制器或类似设备；使用二向色和带通滤波器的多色检测；制造和实施微透镜阵列的各种方式，包括但不限于使用电可调油滴(oil droplet)用于透镜，或非均匀或整形的微透镜阵列；等等。
计算机140包括处理器142和存储器144，并且计算机140可以连接到计算机网络135，该计算机网络135可以是私有网络、公共网络、虚拟私有网络等。计算机网络135可以被实施为有线网络(例如，以太网)或无线网络。系统100的各种设备、包括容积成像装置105和计算机140可以经由网络135连接。计算机网络的示例包括但不限于局域网(LAN)、广域网(WAN)和互联网。如图1所示，计算机网络135是有线网络，使得容积成像装置105可以使用诸如通用串行总线(USB)连接器的物理连接经由到其一个或多个部件的接口通信传达或以其它方式传输数据。附加地或可替代地，设备可以利用无需使用网络135的直接物理连接。在一些实施方式中，计算机网络135可以是诸如IEEE 802.n网络的无线局域网(WLAN)。因此，容积成像装置105和计算机140例如通信地耦合，并且能够经由计算机网络135无线传输数据。
处理器142可以是一个或多个硬件处理器，每个硬件处理器可以包括多个处理器核。存储器144可以包括易失性和非易失性存储器，比如随机存取存储器(RAM)和快闪RAM。计算机140可以包括各种类型的计算机存储介质和设备，其可以包括存储器144，以存储在处理器142上运行的程序的指令。
这样的程序可以包括SVI-LFD成像软件146，该SVI-LFD成像软件146可以在计算机140上本地运行，在一个或多个远程计算机系统的计算机上(例如，在计算机140可经由网络135访问的第三方提供者的服务器系统中)远程运行，或者在前述每一个的一个或多个的组合上运行。SVI-LFD成像软件146可以在计算机140的显示器设备145上呈现用于显示或以其它方式呈现样本的重建的容积图像130的用户界面(UI)。可以使用计算机140的一个或多个输入设备148(例如，键盘和鼠标或触摸屏)来操作显示器设备145。注意，虽然在图1中被显示为分离的设备，但是显示器设备145和/或输入设备148也可以与彼此集成和/或与计算机140集成，比如集成在平板计算机中。
SVI-LFD成像软件146被配置为分析、处理和操纵由实施例的SVI技术生成的、与样本相关联的容积成像数据。SVI-LFD成像软件146可以实施用于选择和执行3D样本的3D受限体积分析的各种SVI方面。作为示例，对于给定的感兴趣体积，SVI-LFD成像软件146被配置为确定多个感兴趣区域，并根据技术顺序地执行用于执行区域的激励和成像所必要的各种部件的命令和/或控制。作为另一示例，SVI-LFD成像软件146可以被实施为自动计算、选择或控制SVI的各种其它方面，比如适当的SVI方法(例如，静态光学体积SVI)、光学几何结构的调整、激励模式的选择等。而且，SVI-LFD成像软件146实施系统100的LFD成像能力的各个方面。在一些实施方式中，SVI-LFD成像软件146被配置为通过执行LFD成像的计算重建来生成3D样本的容积成像数据。在一些实施方式中，SVI-LFD成像软件146被编程为控制感兴趣体积的照射，并实现适当地调整用于执行SVI-LFD操作(例如扫描)的光学器件所需的任何机电部件的移动。例如，SVI-LFD成像软件146可以致使以图案化或结构化的方式的3D样本的照射。图案化和/或结构化的照射的组合可以产生覆盖样本的期望3D空间的检测的光场，并且使能从检测的光场捕获的最终图像数据的优化的计算重建。
图2A至2C示出了根据各种静态光学体积方法的用于实施本文描述的SVI技术的光学几何结构的示例。在一些情况下，与其它描述的方法(如图3A至3E和图4A至4C所示)相比，用于实施SVI的静态光学体积方法潜在地提供了附加的优点。例如，在涉及对具有较大体积的生物样本成像的情况中，与其它SVI方法相比，在精度(例如，定义体积的边界)上的性能折衷可以有利于或易于实施(例如，比内窥镜检查和多视图方法中的光学元件更少)，并且降低了对样本的潜在光致损伤。
图2A至2C中对于静态光学体积方法的光学几何结构之间的共同之处在于，照射光可以使用直接光束而形成。在这种实施方式中，直接光束用于整形(shape)照射光，并产生填充期望的感兴趣体积、即3D样本205的3D受限照射的空间扩展的光体积。图2A示出样本205作为将要根据SVI-LFD技术而被容积成像的生物样本。在一些实施方式中，可以使用诸如贝塞尔或艾里波束的传播不变光束。这些类型的波束可用于产生对于给定束腰的较长轴向范围的潜在优点，这改进了照射激励体积的精度并产生了更准确的3D受限照射。
图2A示出了静态光学体积体积方法，该方法采用分别用于激励样本205的照射光215和来自样本205的光场225的专用光学元件，以便实现容积成像的SVI方面。如图所示，照射光215经过不同于用于传播光场225的透镜230的透镜220发射到样本205中。在一些实施方式中，用于照射的透镜220是显微镜物镜。在一些实施方式中，用于检测的透镜230是检测物镜。因此，样本205可以通过照射光在其中传播的照射光路被照射，该照射光路与从样本205发出的光场在其中传播的光检测光路215分离。另外，示出了用于光场225的光检测光路与用于照射光215的照射光路不共线。也就是说，用于照射和检测而行进的光路不沿同一条线。图2A示出了与检测的光轴成角度thetaθ的照射的光轴。根据所描述的技术，用于照射光215的照射光路与用于光场225的光检测光路的这种非共线性质允许3D样本205的3D受限照射，并因此实现SVI。在一些情况下，光学几何结构被调整使得角度theta(θ)为90°，以便实现SVI。在一些实施方式中，通过调整相应的光学几何结构以便将光检测光路和光检测光路布置在大于零的θ的角度范围中的任何的一个处足够执行SVI。通过采用照射轴，关于与检测轴不共线的透镜220的焦平面，关于透镜230的焦平面，样本205的照射被限制到感兴趣的3D体积，从而最小化可能对光场成像技术的计算重建的最终对比度和准确度有害的信号背景。
图2B示出了用于静态光学体积方法的另一实施方式，其中光学几何结构被布置成经过还用于检测的相同透镜即透镜220来发射照射光235。在一些实施方式中，透镜220是显微镜物镜。来自样本205的光场240经过透镜220传播。因此，如图所示，照射光路和光场检测路径经过单个透镜220行进。为了根据图2B中所示的光学几何结构实现SVI，发送照射光偏心地经过透镜220。在一些实施方式中，照射光235例如以与样本205的成像平面的倾斜角度从光源传送。检测光路与公共光学元件220的光轴共线，与照射光路形成大于零的角度theta(θ)。检测路径的倾斜角度的性质允许通过相同的显微镜物镜同时地或顺序地实现多个检测路径，而不需要物理地旋转样本。从而，尽管照射光235和光场240共享公共透镜220，但是照射和检测路径以类似于图2A所示的方式保持不共线。因此，采用倾斜角度照射策略作为光学几何结构的一部分得到了SVI。
在一些实施方式中，调整相应的光学几何结构以便将照射光路布置在大于零且不是90°的角度范围中的任何一个角度处，足以创建倾斜的照射光路并优化对样本205的3D受限照射的体积的激励。在一些情况下，除了显微镜的一些现有显微镜能力、比如共焦光栅点激光扫描之外，图2B中的倾斜角度照射方法也可以用于实施由显微镜组件(图1中所示)执行的成像的SVI方面。在一些情况下，例如，此实施方式使用一个光子激励模式和可切换的光学几何结构来支持在SVI-LFD成像模式或共焦显微镜模式下操作。参考图1详细讨论了涉及使用基于SVI-LFD的成像的、具有使用另一显微镜模式捕获的附加成像的实施方式。
图2A至2B的静态光体积方法可以采用各种线性激励模式来捕获光信号对比度。该线性激发模式可以包括但不限于：一个光子激励荧光；弹性光散射；和非弹性光散射(例如拉曼或布里渊散射)。在信号对比度是经过照射光的弹性散射的一些实施方式中，诸如瑞利或米氏散射或其组合的技术提供了观察生物结构和过程的无标记方法。在SVI的信号对比度是经过照射光的非弹性散射的情况下，信号对比度是无标记的并产生关于样本的光谱信息。在采用线性激励时，可以生成与照射光强度的一次方(first power)成比例的信号强度，因此提供了产生SVI所必要的空间约束。
图2C描绘了类似于图2B中所示的光学几何结构的、使用共享光学元件用于照射和检测的用于实施SVI技术的静态光学体积方法的光学几何结构的另一示例。然而，图2C中示出了照射光250和从样本205发出的光场255彼此共线地传播。也就是说，光路和光场检测路径沿着相同的轴对准，而不是如前面讨论的光学静态方法(图2A至2B中所示)中那样布置成不共线。在共线光学几何结构配置中，为了避免一些现有显微镜方法的类似功能(例如，宽场照射)及其缺点，使用非线性多光子激励。
为了实现所描述的SVI技术，图2C的光学几何结构还使能使用光学激励的非线性模式以生成信号对比。例如，多光子激励包括样本205与两个或更多光子在近乎同时的相互作用，以产生光信号对比。这些信号对比可以包括两光子激励的荧光、二次谐波生成、三光子激励的荧光和高阶过程。在这些多光子模式中，在聚焦波束被用于照射样本(如图2D所示)的情况下，对于涉及两(或三)个光子激励的过程，信号强度与激励强度的二次(或三次)方成比例，导致3D空间中激励体积的自然限制。除了多光子光栅点激光扫描显微镜的一些现有能力之外，这种非线性激励限制也可以有效用作实施SVI方法的关键工作原理。
此外，与图2A和2B中所示的光学几何结构相对应的静态光学体积方法也可以利用非线性激励来工作。对于图2C中所示的光学几何结构，即使照射光250和光场255共线地布置，由于激励的非线性限制，非线性多光子光学激励的使用也将产生有效的SVI。在一些实施方式中，照射光250和光场255经过相同的显微镜物镜260被接收。而且，在一些情况下，信号模式被实施为多光子激励荧光(例如，两光子荧光、二次谐波成成、三光子激励的荧光)。由于信号的非线性限制，本文描述的对于SVI的静态光学体积方法中的每个应该提供有效的SVI。在一些情况下，图2C中所示的光学几何结构可以用于实施SVI-LFD技术与诸如多光子荧光显微法的一些传统显微法技术的组合。
图2D示出了根据扫描的光学体积方法的用于实施本文描述的SVI技术的光学几何结构的示例。根据此技术，与照射整个样本相反，由于照射光265是用于选择性地扫描或“涂画”样本270的感兴趣体积的聚焦波束，因此实现了SVI。取决于聚焦区域的尺寸和形状，激励体积通过以一维、二维或三维扫描而被“涂画”(即填充)。重要的是，前面描述的静态光学体积方法的所有不同表现都可适用于扫描的光学体积方法。而且，在扫描方法中，诸如检测相机的用于捕获光场图像的检测光学器件被曝光达扫描整个3D受限体积所需的持续时间。因此，一次曝光时间足以扫描样本的整个感兴趣体积，排除了使用多次曝光时间(例如，对于待扫描的每个片段一次曝光时间)对感兴趣体积的片段的逐段(piecemeal)扫描。在实施快速扫描的情况下，例如以高旋转速度扫描硬件的情况下，可以在单次曝光时间内执行对指定体积的多轮扫描。根据扫描的光学体积技术执行SVI可以提供多个优点，比如在定义SVI时提高的精度(例如，降低到微米级)。因此，在与静态光学体积方法(如图2A至2C所示)相比、使用更复杂硬件的设计折衷对于更精确的成像是可容忍的情况下，SVI的扫描实施方式可以是期望的。
如图所示，可以通过使用诸如圆柱形透镜的布置用于聚焦光的各种光学元件将照射光265整形为静态2D光片来形成扫描的光片275。此后，可以在第三维上扫描光片275，以优化对样本的3D受限照射体积的照射。在一些情况下，通过利用在光学配置中包括的旋转/平移设备、比如振动子或共振扫描仪或者诸如声光偏转器的声光设备扫描聚焦区域来实施扫描。
在一些情况下，用于扫描的光学体积方法的光学几何结构以相对于光场的检测方向280(沿z轴示出)大于零的角度thetaθ调整照射光265(沿x轴示出)。因此，作为聚焦光束的照射光265将表现为在由检测光学器件限定的视场内的标称线。然后，为了实现对于3D体积的SVI，可以以二维扫描照射光。
由于仅在聚焦区域的信号对比生成的限制，即使在具有共线照射和检测路径的情况下(如图2C所示)，扫描方法也可以使用多个光学配置来实施具有非线性激励的SVI。为了增强覆盖并减少经常与高光强度相关联的光致生物损伤，如图1C所示，可以使用低数值孔径聚焦的激励波束，以在焦点区域具有扩展的轴向范围。然后，聚焦点的2D扫描将自动产生3D激励体积，实现SVI。注意，低数值孔径聚焦的波束的较大横截面面积将对SVI–LFD的最终实现的分辨率具有最小的影响，因为在这种情况下分辨率不取决于照射波束尺寸，而是取决于LFD臂的整体光学特性(检测数值孔径、镜筒透镜焦距和孔径、透镜阵列参数、相机像素尺寸等)。.
图3A示出了用于与SVI-LFD成像技术的内窥镜实施方式一起使用的多芯光纤305a的示例。例如，内窥镜被集成到容积成像系统(如图1所示)中，用于在应用SVI-LFD成像技术的同时提供视频成像能力。涉及内窥镜检查的实施方式可以提供与远程地或者在一些基于显微法的成像技术以其它方式难以接近位置处执行SVI-LFD成像相关联的优点。图3A示出了根据内窥镜实施例的多芯光纤305a，用于每当要传输图像时，传送用于激励样本的照射光，或者沿着检测光路中继检测光。此外，每当非成像光需要沿着光路传输时，单芯光纤可以用于照射或检测光路。因此，根据前面描述的SVI技术和光学几何结构和配置的任意者，SVI-LFD成像可以利用内窥镜来实现，具有多芯光纤305a和/或单芯光纤或者其任意多种组合，作为与容积成像系统(图1中所示)一起使用的光传送机构。典型地，在内窥镜成像应用中，靠近样本的各种光学部件和组件尺寸小，使能够向样本和从样本的接近传送和收集光。
图3B示出用于与SVI-LFD成像技术的内窥镜实施方式一起使用的光学几何结构的示例。图3B中示出照射光束306被扫描设备315扫描并通过使用耦合透镜310光学地耦合到作为内窥镜的部分的多芯光纤的不同芯中。该光束被内窥镜运载到一些基于显微法的成像技术以其它方式难以接近的远程位置。由于光束由多个芯运载，因此，离开内窥镜并照射样本的光束根据前面描述的SVI技术的任意者扫描或涂画样本的选择性3D体积。扫描设备的示例包括振动子、共振扫描仪、声光偏转器、数字微镜设备，在1、2或3个方向上，或者以多个方向的任意组合来执行扫描。
图3C示出用于与SVI-LFD成像技术的内窥镜实施方式一起使用的另一光学几何结构的示例。在图3C中，多芯光纤305c被用于将激励光从内窥镜307传送到被照射的样本，并且自由空间光学器件被用于光学几何结构的光场检测方面。光被示出为经过照射物镜320传播，并且在光纤束的近端面处，聚焦到一个点并以二维被扫描，或者聚焦到一条线并以一维被扫描。在一些情况下，内窥镜的远端，即远离样本的端部耦合到容积成像系统的显微镜组件(如图1所示)。在这种情况下，参考SVI的静态光学体积方法，激励和检测两者可以使用单个物镜、使用类似于图2B中所示的光学几何结构来实现。图3C示出在光学几何结构配置中使用两个透镜，用于接收照射光的照射物镜320和用于接收用于检测的光场335的检测物镜330。在一些实施方式中，图3C所示的光学几何结构可以被调整为以小于90°的角度thetaθ来布置两个物镜320、330。在另一实施方式中，光学几何结构可以被调整为包括微型棱镜以将照射光321转动90度，以便将照射光路和检测光路彼此正交地布置，以实现所述的SVI技术来优化样本体积的激励。
图3D示出用于与SVI-LFD成像技术的内窥镜实施方式一起使用的另一光学几何结构的示例。在所示的示例中，多芯光纤305d是用于内窥镜340的传送光纤，并且用于将激励光345传送到样本。根据本文公开的SVI-LFD成像技术，光学几何结构还被示出为使用照射物镜350和镜筒透镜355来创建图像。在一些情况下，照射物镜被实施为微型物镜。然后使用另一多芯光纤305e将该图像中继到内窥镜340的远端面。类似于图3C中的光学器件，激励光345是在光纤束的远端面处聚焦到一点并以二维被扫描的或者聚焦到一条线并以一维被扫描的光束。图3D被称为将两个多芯光纤305d、305e描绘为在相同的内窥镜340中。检测物镜360被示出为在用于检测的传播光场被反射时接收该用于检测的传播光场，并且导向用于成像的内窥镜340的另一多芯光纤305e。可替换地，实施方式可以包括使多芯光纤305d、305e的每个存在于不同的内窥镜中，从而在光学几何结构中具有两个独立的内窥镜。在这种情况下，如参考图3C所讨论地，SVI-FLD技术的激励和检测方面可以使用单个物镜。可替换地，实施方式可以包括被布置在单个或多个内窥镜中的用于SVI-LFD的激励和检测方面的多个单芯光纤。在另一实施方式中，类似于参考图3C所讨论地，光学几何结构可以被调整为包括微型棱镜。
图3E示出用于与SVI-LFD成像技术的内窥镜实施方式一起使用的另一光学几何结构的示例。在此示例中，使用单芯光纤365将从内窥镜370传送激励光来执行内窥镜检查，而不是如图3A至图3D中的光学几何结构所示的多芯光纤。激励光375作为波束被传送经过透镜380传播，使用扫描设备385来进一步扫描该波束，扫描设备385可以是微机电系统(MEMS)镜设备。图3E指示扫描设备385被配置为在x-y方向上旋转。另外，在一些光学几何结构中，可以使用多个扫描设备。然后，光被示出为被照射物镜390接收，并且随后在经过检测物镜395并沿检测方向396的用于检测的方向上反射。在一些实施方式中，可以采用两个扫描设备。微透镜阵列(未示出)可以位于用于创建光场图像的内窥镜的近端，然后例如使用另一多芯光纤将该光场图像中继到内窥镜370的远端面。因此，作为示例，基于内窥镜的SVI的最佳几何结构可以使用单芯光纤和多芯光纤。
图3F示出了光学几何结构的示例，其中光纤400和401分别用于传输照射光和检测光，并且照射光和检测光经过公共光学系统402传播，遵循前面描述的对于在成像装置中没有使用光纤的情况的各种实施方式。光纤401和402可以是多芯或单芯的，并且它们一起形成使能够对在空间上以其它方式难以接近的样本进行SVI-LFD成像的内窥镜403。
图4A至4C示出了用于与使用多视图LFD成像技术的SVI的实施方式一起使用的光学几何结构的各种示例。用于实现本文公开的SVI-LFD成像技术的前面的方法和实施方式中的每个已经一般地被描述为使用一个用于检测的方向来对样本成像，从而从单个视点捕获LFD成像数据。然而，多视图LFD成像涉及采用允许从多个方向和/或视图捕获检测光场的各种光学几何结构，这有效地得到从多于一个方向对样本体积成像。作为示例，能够支持多视图LFD成像的光学几何结构可以包括使用用于照射和检测的多对基本正交的物镜，以与图2A中所示的光学几何结构(使用单个透镜用于照射和检测)有些相似的方式对样本3D体积成像。在多视图成像的这些实例的每一个实例中实现SVI。从而，多视图LFD成像技术可以实现与使用多个和变化的视角对感兴趣的3D体积成像相关联的各种优点。例如，根据多视图技术从多于一个的方向生成的LFD成像的计算重建随后可以被组合以产生具有更高分辨率和/或更好空间覆盖的最终图像。
在一些实施方式中，利用样本的多于一个的视图成像可以通过经多个视图顺序地旋转样本；或者/和通过采用被定向成通过不同的视图观察样本的多于一对的照射-检测光学系统来实现，并且同时或顺序地成像不同的视图，而不需要物理地旋转样本。来自多个视图的得到图像数据集然后可以被组合和重建以产生具有更高分辨率和/或更好空间覆盖的最终图像。
图4A示出用于与使用多视图LFD成像技术的SVI的实施方式一起使用的光学几何结构。图4A中示出多视图光学器件涉及使用单个主物镜405和多于一个的检测微透镜阵列410a、410b。通过放置一对检测微透镜阵列410a、410b，每个检测微透镜阵列的光轴与主显微镜物镜405的光轴成有限角度，可以从多个视图捕获光场415，从而从多个方向对样本体积成像。另外，照射光420沿着多于一个照射轴传播。然后，使用镜425，照射光420被反射，以被导向样本，从而创建与不同视图相关联的多于一个的成像体积430a、430b。因此，使用相机进一步捕获由每个微透镜阵列410a、410b从照射体积430a、430b捕获的光场415，以便生成与相应视图相对应的LFD成像。在一些实施方式中，在光学几何结构中可以使用多于两个微透镜阵列，以便覆盖光场空间的全角度范围。本文描述的具有多个检测微透镜阵列和相机的多视图光场成像实现了等同于捕获具有(比使用单个微透镜阵列和单个相机可以实现的)更高数值孔径和更大相机传感器面积的样本光场的检测方案。
在一些情况下，使用图4A中的光学配置实施的光学检测元件的数量(对应于成像视图的数量)是可调的特征，其可以被调整为实现期望的结果。可以存在与增加在光学布置中使用的检测元件的数量相关联的权衡。例如，使用更多的微透镜阵列可以捕获更多的角度视图，但可能会潜在地减小每个阵列的数值孔径(和分辨率)，而最终重建的分辨率可以取决于视图数量和每个视图中实现的固有分辨率两者。在一些情况下，例如，对所使用的微透镜阵列的数量的确定可以取决于成像变量，比如期望的分辨率和确定的3D样本视场。利用以与主光轴成的有限角度定向的实质大量的微透镜阵列检测光场允许通过主显微镜物镜捕获高数值孔径两者(即，更多角度信息)，而没有降低轴向(z轴)覆盖的代价。
用于多视图LFD成像的图4A中描绘的光学几何结构也可以被调整用于提供SVI技术。例如，照射光420被示出为平行于主显微镜物镜405的主光轴被传送，被调整为在xy平面中覆盖感兴趣体积的期望的xy横截面。而且，照射光420沿着显微镜物镜的中心光轴被引导，并且检测路径沿着显微镜物镜405的倾斜角度方向。检测路径的倾斜角度的性质允许通过相同的显微镜物镜420同地或顺序地实现多个检测路径，而不需要物理地旋转样本。此外，由于检测体积与主光轴成一角度，因此实现了SVI。在一些情况下，可以适当地调整光学器件，允许检测体积(检测)正交于主光轴(照射)。在一些实施方式中，使用线性光学激励，选择样本3D体积用于SVI技术。在一些实施方式中，使用非线性多光子光学激励来实现SVI技术。图4A描绘了两个倾斜角度的检测视图，但是可以实现更多的视图以覆盖来自样本的更多光场角度范围。例如，在显微镜物镜405的图像侧，各种类型的分束器(例如，二向色或部分反射)可以用于将照射和检测的路径分离为不同的方向。以各种方式记录多个检测视图，例如利用多个微透镜阵列410a、410b和以适当角度定向的相机光学系统，如图4A所示。在一些情况下，可以利用多个倾斜角度的照射方向路径来提供对于多个倾斜角度的检测路径的SVI。
图4B中示出了用于与使用多视图LFD成像技术的SVI的实施方式一起使用的光学几何结构的另一示例，其中产生在多个成像视图之间的重叠区域。阴影区域435表示用相应成像视图检测的体积、即第一成像视图的体积440a和第二成像视图的体积440b之间的重叠。因此，实现了多视图LFD成像的益处，因为所描绘的视图两者(具有产生与该特定体积相关联的更多成像数据的共享成像体积)的计算重建可以产生具有更高分辨率的重叠体积435的最终3D图像。
而且，图4B中所示的照射包括位于中心照射445c的任一侧(即左、右)并相对于中心照射445c的轴形成一角度的多个侧照射445a、445b。而且，侧照射445a、445b是相对于显微镜物镜的光轴的倾斜角度的照射。中心照射445c是沿着显微镜物镜的中心轴引导的照射。图4B中的光学几何结构被配置为使得右侧照射445b允许对于检测与体积440b相关联的视图的SVI，而左侧照射445a允许对于另一视图的体积440a的SVI。因此，LFD图像获取可以涉及顺序地成像与右侧照射445b相关联的视图，然后成像与左侧照射445a相关联的另一视图。因此，执行的多视图LFD成像的每个视图可以具有更优的高对比度SVI。在一些实施方式中，多视图成像技术可以将与处理相关联的成像速率降低与视图数量有关的速率。例如，使用两个成像视图的图4B中所示的示例可以将成像速率降低两倍。这在高速成像不如高成像分辨率那样所期待的情况下可能是有益的。
图4C示出了用于多视图LFD成像技术的另一光学几何结构的示例，其中与多个成像视图中的每一个相关联的光学路径被光学器件分离。在图2C中，示出为反射(镜像)棱镜450的光学元件被包括在光学几何结构中，用于以分离不同成像视图的光学路径的方式来操纵光。反射棱镜450被示出为放置在主显微镜物镜455的图像侧。照射光460a、460b朝向反射棱镜450发射。在这种情况下，照射被引导到反射棱镜450的两个相对侧，表示基于每个照射侧的相应成像视点。然后，照射光460a(左侧)和460b(右侧)在具有两个分离的照射路径的两侧被棱镜450的表面(以直角)反射或以其它方式重新引导。每个不同的照射路径通过主物镜455传播照射光460a、460b，以创建与各自的成像视图465a、465b相对应的样本的多个照射体积。
此外，由于反射棱镜450，光场462a、462b被示出为具有分离的光学路径。因此，该光学几何结构允许使用例如微透镜阵列在分离的位置处进行一个成像视图的光场462a和另一成像视图的光场462b的检测。在一些情况下，此光学布置提供了更多的空间，例如用于实施由每个微透镜阵列捕获的光场的相机检测。在一些实施方式中，用于布置分离的光学路径的光学器件是具有反射特性的另一光学元件，比如透射照射光并反射检测光的分色镜。在这种情况下，可以沿着主显微镜物镜455的光轴传送照射光。尽管图4C示出了使用两个反射表面来重新定向不同的成像视图的光学几何结构的示例，但是在一些实施方式中可以使用多于两个表面(多于两个照射和检测路径)，以便覆盖在显微镜物镜455后的光场的全角度范围。
附加类型的照射机构也可以用于本文前面描述的各种方法和实施方式的每个中，以适当地实现实施例的SVI方面。在各种实施方式中，通过操纵照射光的相干性来实现选择性体积照射，该相干性是诸如全息术、干涉测量法等的一些发光技术的特征。因此，在任何公开的SVI-LFD成像实施例中，相干光源可以用于样本的照射，以实现相长和相消光干涉的特定空间区域，从而产生在期望的感兴趣体积处的选择性照射。在一些实施方式中，相干光技术可以使用线性光学激励或非线性多光子光学激励来生成图像对比。
本说明书中描述的主题和功能操作的实施例可以在数字电子电路中或者以计算机软件、固件或硬件、包括本说明书中公开的结构及其结构等效物，或者以它们中的一个或多个的组合来实施。本说明书中描述的主题的实施例可以使用编码在计算机可读介质上用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作的计算机程序指令的一个或多个模块来实施。计算机可读介质可以是制造的产品，比如计算机系统中的硬盘驱动器或者通过零售渠道销售的光盘，或者嵌入式系统。可以单独获取计算机可读介质，并随后用计算机程序指令的一个或多个模块对其编码，比如通过经有线或无线网络传送计算机程序指令的该一个或多个模块。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储器设备或它们中的一个或多个的组合。
术语“数据处理装置”包括用于处理数据的所有装置、设备和机器，例如包括可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，该装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、运行时间环境或它们中的一个或多个的组合的代码。此外，该装置可以采用各种不同的计算模型基础设施，比如web服务、分布式计算和网格计算基础设施。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言、包括编译或解释语言、声明或过程语言来编写，并且其可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其它单元。计算机程序不是必须对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在保存其它程序或数据的文件的一部分(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)中、专用于所讨论的程序的单个文件中，或者多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子例程或代码的部分的文件)中。计算机程序可以被部署成在一台计算机上或者在位于一个站点或者跨多个站点分布并且通过通信网络互连的多台计算机上执行。
本说明书中描述的处理和逻辑流程可以由一个或多个可编程处理器执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据操作并生成输出来执行功能而进行。处理和逻辑流程也可以由专用逻辑电路、例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)执行，并且装置也可以实施为该专用逻辑电路。
适用于执行计算机程序的处理器包括例如通用和专用微处理器两者，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备，例如磁盘、磁光盘或光盘，或者可操作地耦合以从该一个或多个大容量存储设备接收数据或将数据传递到该一个或多个大容量存储设备，或这两者。然而，计算机不需要有这样的设备。此外，计算机可以嵌入另一设备中，另一设备例如移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频或视频播放器、游戏控制台、全球定位系统(GPS)接收器或便携式存储设备(例如通用串行总线(USB)闪存驱动器)，仅举几例。适用于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，例如包括半导体存储器设备，例如EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。
为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施例可以在计算机上实施，该计算机具有用于向用户显示信息的显示器设备，例如LCD(液晶显示器)、OLED(有机发光二极管)或其它监视器，并具有键盘和定点设备，例如鼠标或跟踪球，用户可以通过其向计算机提供输入。也可以使用其它类型的设备来提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以以包括声音、语音或触觉输入的任何形式接收来自用户的输入。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且典型地通过通信网络来交互。客户端和服务器的关系是依靠在各个计算机上运行并且彼此之间具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生的。本说明书中描述的主题的实施例可以在包括后端部件的计算系统中实施，例如实施为数据服务器，或者在包括中间件部件的计算系统中实施，例如实施为应用服务器，或者在包括前端部件的计算系统中实施，例如实施为具有用户可以通过其与本说明书中描述的主题的实施方式交互的图形用户界面或Web浏览器的客户端计算机，或者实施在包括一个或多个这样的后端、中间件或前端部件的任何组合的计算系统中实施。系统的部件可以通过数字数据通信的任何形式或介质、例如通信网络而互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)、互联网络(例如，因特网)和点对点网络(例如，ad hoc点对点网络)。
虽然本说明书包含许多实施方式细节，但这些不应该被解释为对本发明的范围或所要求保护的范围的限制，而应该被解释为对本发明的具体实施例特定的特征的描述。本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开地或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管特征可以在上文中被描述为以某些组合而起作用，并且甚至最初要求如此保护，但是在一些情况下，来自要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描述了操作，但是这不应该理解为要求以所示的特定顺序或以依次的顺序执行这样的操作，或者要求执行所有示出的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。此外，在上述实施例中的各种系统部件的分离不应该理解为在所有实施例中要求这样的分离，并且应该理解，所描述的程序部件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者打包到多个软件产品中。
因此，已经描述了本发明的具体实施例。其它实施例在所附权利要求的范围内。此外，权利要求中叙述的动作可以以不同的顺序执行，并且仍然实现期望的结果。

Claims (22)

1.一种容积成像装置，包括：
光源，被配置为发射照射光，该照射光经由照射光路传播以照射三维3D样本；以及
光学系统，相对于所述光源被布置以接收来自被照射的3D样本的光场，其中所述光场经由检测光路传播；
其中所述光源、所述光学系统或这两者可被配置为执行选择性体积照射，所述选择性体积照射基于要被照射的3D样本和要应用的光场检测LFD处理来选择所述3D样本的3D受限照射的体积，其中所述3D受限照射的体积是将由用于成像的3D受限照射特别激励的所述3D样本的所选择的3D体积。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述检测光路与所述照射光路不共线，并且通过调整所述照射光相对于所述光学系统的3D光学几何结构来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。
3.如权利要求2所述的装置，其中，使用线性光学激励来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。
4.如权利要求1所述的装置，其中，使用非线性多光子光学激励并调整所述光源相对于所述光学系统的3D光学几何结构来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述检测光路与所述照射光路共线。
6.如权利要求1、2、3或4中任一项所述的装置，其中，使用照射的直接光束整形以产生空间扩展的光体积来选择样本的3D受限照射的体积。
7.如权利要求1、2、3或4中任一项所述的装置，包括可切换光学部件和光学几何结构，所述装置是被配置为改装到现有的显微镜的扩展模块，或者是全新设计的显微镜的集成模块，所述显微镜具有多种成像能力，其中所述多种成像能力包括以亚微米至2微米的分辨率在3D中执行高分辨率光学分割。
8.如权利要求2、3、4或5中任一项所述的装置，其中，所述光学系统包括公共光学元件，所述公共光学元件被布置为(i)接收经由所述照射光路传播以照射所述3D样本的照射光，(ii)接收来自被照射的3D样本的、经由检测光路传播的光场，以及(iii)调整所述光源的3D光学几何结构用于选择所述3D样本的3D受限照射的体积。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述照射光沿着倾斜角度路径经过所述公共光学元件而传播，并且所述检测光路与所述公共光学元件的光轴共线，与所述照射光路形成大于0的角度theta。
10.如权利要求2所述的装置，其中，所述光学系统包括：(i)第一光学元件，被布置为接收经由所述照射光路传播以照射所述3D样本的照射光，以及(ii)第二光学元件，被布置为接收来自被照射3D样本的、经由检测光路传播的光场，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件被布置为以与所述检测光路成大于零的角度θ来调整所述照射光路的3D光学几何结构，用于选择所述3D样本的3D受限照射的体积。
11.如权利要求1、2、3、4、5或10中任一项所述的装置，其中，使用(i)所述照射光的聚焦光束整形，以及(ii)所述光源的3D光学几何结构来选择所述3D样本的3D受限照射的体积，所述光源的3D光学几何结构被调整为在曝光时间期间在扫过所述3D样本的3D受限照射的全部所选择的3D体积的扫描中照射所述3D样本的3D受限照射的体积的多个子区域。
12.如权利要求8所述的装置，其中，使用(i)所述照射光的聚焦光束整形，以及(ii)所述光源的3D光学几何结构来选择所述3D样本的3D受限照射的体积，所述光源的3D光学几何结构被调整为在曝光时间期间在扫过所述3D样本的3D受限照射的全部所选择的3D体积的扫描中照射所述3D样本的3D受限照射的体积的多个子区域。
13.如权利要求1、2、3、4、5或10中任一项所述的装置，其中通过以图案化或结构化的方式照射所述3D样本来选择所述3D受限照射的体积，得到覆盖所述3D样本的期望的3D空间的检测光场，图案或结构可用于使能来自所述检测光场的最终图像数据的优化计算重建。
14.如权利要求8所述的装置，其中(i)所述照射光可用于改变所述3D样本中的一个或多个对比剂的光化学物理特性，在所述3D样本的3D受限照射的体积中呈现增强的对比度，并且(ii)附加照射光源和相关联的光学系统用于提供对比剂的光场成像。
15.如权利要求2、3、4、5或10中任一项所述的装置，其中，所述光学系统包括多个光学元件，所述多个光学元件被布置为调整所述3D光学几何结构以创建多个检测光路，每个检测光路与所述照射光路成相应角度，并且所述多个光学元件可用于(i)选择所述3D样本的3D受限照射的体积，(ii)接收从与所述相应角度相关联的多个视图经由所述检测光路传播的光场，以及(iii)从所述多个视图对LFD成像的计算重建。
16.如权利要求8所述的装置，其中，所述光学系统包括多个光学元件，所述多个光学元件被布置为调整所述3D光学几何结构以创建多个检测光路，每个检测光路与所述照射光路成相应角度，并且所述多个光学元件可用于(i)选择所述3D样本的3D受限照射的体积，(ii)接收从与所述相应角度相关联的多个视图经由所述检测光路传播的光场，以及(iii)从所述多个视图对LFD成像的计算重建。
17.如权利要求1、2、3、4、5或10中任一项所述的装置，其中，通过使用(i)单芯光纤以发射经由所述照射光路传播以照射3D样本的照射光，或者(ii)多芯光纤以发射经由所述照射光路传播以照射3D样本的照射光，或者(iii)单芯光纤和多芯光纤中的一个或多个的组合以发射经由所述照射光路传播以照射3D样本的照射光，调整所述光学系统来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。
18.如权利要求1、2、3、4、5或10中任一项所述的装置，其中，通过使用(i)单芯光纤以接收来自被照射的3D样本的光场，或者(ii)多芯光纤以接收来自被照射的3D样本的光场，或者(iii)单芯光纤和多芯光纤中的一个或多个的组合以接收来自被照射的3D样本的光场，调整所述光学系统来选择所述3D样本的3D受限照射的体积。
19.如权利要求1、2、3、4、5或10中任一项所述的装置，其中所述装置包括内窥镜。
20.如权利要求8所述的装置，其中，所述装置包括内窥镜。
21.如权利要求15所述的装置，其中，所述装置包括内窥镜。
22.一种容积成像系统，包括：
如权利要求1至5中任一项所述的装置；
LFD检测机构，其相对于所述装置布置以接收来自被照射的3D样本的光场，并且捕获由所述光场投影的LFD成像；
计算机，与所述装置通信地耦合，并且被配置为通过执行所述LFD成像的计算重建来生成所述3D样本的容积成像数据。
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