这篇文章介绍了由乌尔姆大学的David Hevisov教授及其团队进行的研究，发表在《Sensors》期刊上。该研究主要探讨了在自制多圆柱体幻影中，使用共聚焦激光扫描显微镜进行成像的理论与实验方法，具有重要的科学和应用价值。
在这项研究中，研究团队利用3D直接激光写入技术（3D-DLW）制造了具有不同半径的圆柱体结构，具体为半径为5微米和10微米的圆柱体，整体尺寸约为200 × 200 × 200微米。研究的核心在于通过改变测量系统的参数，如针孔大小和数值孔径（NA），以及不同的折射率差异，来观察图像形成的过程。为了进行理论比较，研究团队开发了一种基于四面体的、GPU加速的蒙特卡洛（MC）软件，并将共聚焦设置实现于该软件中。通过对单一圆柱体的模拟结果与麦克斯韦方程的解析解进行比较，验证了该软件的有效性。随后，研究团队对更复杂的多圆柱体结构进行了模拟，并将其与实验结果进行了比较。
在实验过程中，研究团队使用了Nanoscribe公司的设备进行圆柱体的打印。Nanoscribe的两光子聚合打印机（Photonic Professional GT+）被用于制造这些自定义的光学散射体。通过这种先进的3D打印技术，研究人员能够在不同几何形状中创建定制的散射粒子，进而深入研究其在共聚焦显微镜下的成像特性。研究表明，在最大折射率差异的情况下，即周围介质为空气时，模拟和测量的数据高度一致，所有关键的共聚焦显微镜图像特征均被模拟所再现。即使在使用浸没油将折射率差异显著降低至0.005的情况下，模拟与测量之间仍然保持良好的吻合，特别是在穿透深度的增加方面。
研究的结果显示，共聚焦显微镜是一种广泛应用于生命科学和材料表征等领域的成像技术，其主要优点在于能够提供光学切片功能。通过将激光束聚焦到散射介质中的特定平面，反射光被聚焦到针孔上，从而防止来自失焦区域的光线干扰，提高了图像的对比度。研究团队的工作不仅为共聚焦显微镜的成像机制提供了新的视角，也为未来的研究奠定了基础。
在研究过程中，团队面临了多项挑战，包括技术难题和数据收集问题。尽管蒙特卡洛方法已成为描述浑浊介质中光传播的金标准，但将理论与实验结果进行直接比较仍然相对较少。为了实现这一目标，研究团队需要对所研究样本的几何和光学特性有精确的了解。此外，研究还探讨了不同折射率差异对成像特征的影响，发现随着折射率差异的减小，穿透深度显著增加，这一现象可以通过计算散射效率和散射函数来解释。
展望未来，该研究的成果在实际应用中具有广泛的潜力，尤其是在优化和验证共聚焦显微镜设备方面。研究团队建议，未来的研究可以通过更精确地建模真实光学系统，包括高斯光束模型和实际测量设置中的光线追踪，来提高理论与实验之间的吻合度。此外，研究团队还计划使用光学相干断层扫描等其他3D成像技术对这些幻影进行测量，并与基于麦克斯韦方程的模拟进行比较。这些研究不仅将推动共聚焦显微镜技术的发展，也将为生物医学成像和材料科学等领域的应用提供新的思路和方法。
总之，这项研究不仅为共聚焦显微镜的成像机制提供了新的理解，也为未来的研究方向指明了道路。通过结合先进的3D打印技术和蒙特卡洛模拟方法，研究团队成功地探索了复杂散射体的成像特性，为相关领域的科学研究和技术应用奠定了坚实的基础。
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https://doi.org/10.3390/s23104945