光学内窥镜广泛用于对人体内部进行成像，从而实现疾病诊断和手术图像引导。此外，光纤显微内窥镜正成为对活体动物进行结构和功能脑成像的极其有价值的工具。此类行为研究需要具有高时空分辨率的工具，在大空间范围上成像，从而捕捉大脑深处的大规模神经活动。当前的一种方法是通过单芯光纤的头端(distal)扫描或使用多芯光纤的近端(proximal)扫描来获取场景的每个图像像素。这种设计通常使用机械扫描仪和微透镜，并以高空间分辨率恢复图像，但视野受扫描仪偏转角的限制。另一种方法为宽场照明，使用多芯光纤或光纤束进行检测，其中纤芯传输场景的图像像素。在这种情况下，由于纤芯之间的串扰和像素化伪影，图像质量会下降。此外，减少纤芯的数量可以缩小体积，但视野会随之变小，同时上述效果(串扰和像素化伪影)变得更加明显。此外，基于宽场照明和使用微透镜成像的手持显微镜最近已被证明用于自由移动小鼠的大脑成像。但是，不管采用何种不同的方法，大多数方法使用的头端透镜都在成像探头的小型化与其成像性能之间进行了权衡。微型化的物理尺寸限制是脑成像的一个特殊问题，因为探针植入不可避免地会破坏此类研究旨在了解的复杂神经回路。
博览：2019 ScienceAdvances 微创无透镜计算显微内窥镜
技术背景：
光学内窥镜广泛用于对人体内部进行成像，从而实现疾病诊断和手术图像引导。此外，光纤显微内窥镜正成为对活体动物进行结构和功能脑成像的极其有价值的工具。此类行为研究需要具有高时空分辨率的工具，在大空间范围上成像，从而捕捉大脑深处的大规模神经活动。当前的一种方法是通过单芯光纤的头端(distal)扫描或使用多芯光纤的近端(proximal)扫描来获取场景的每个图像像素。这种设计通常使用机械扫描仪和微透镜，并以高空间分辨率恢复图像，但视野受扫描仪偏转角的限制。另一种方法为宽场照明，使用多芯光纤或光纤束进行检测，其中纤芯传输场景的图像像素。在这种情况下，由于纤芯之间的串扰和像素化伪影，图像质量会下降。此外，减少纤芯的数量可以缩小体积，但视野会随之变小，同时上述效果(串扰和像素化伪影)变得更加明显。此外，基于宽场照明和使用微透镜成像的手持显微镜最近已被证明用于自由移动小鼠的大脑成像。但是，不管采用何种不同的方法，大多数方法使用的头端透镜都在成像探头的小型化与其成像性能之间进行了权衡。微型化的物理尺寸限制是脑成像的一个特殊问题，因为探针植入不可避免地会破坏此类研究旨在了解的复杂神经回路。
最近，基于编码孔径成像的无透镜相机已被提出用于生物和商业应用。这些相机外形平坦，横向尺寸与裸图像传感器芯片接近，成像工作距离可变，可以不接触对样品成像。它的工作原理是在裸传感器前面附近放置单个空间掩模(spatial mask)，光通过掩模传播到图像传感器上。正则化的最小二乘最小化算法使用场景编码孔径响应的单个快照来重建场景。值得注意的是，其它基于编码孔径的成像系统也展示了光场成像能够通过计算重新聚焦位于不同深度的物体。
当前不足：
（1）目前已有的几种使用多模光纤、多芯光纤或套管(cannula)的无透镜内窥镜设计，存在对弯曲敏感、视野受限或无颜色分辨能力等缺点。
（2）现有无透镜相机有平坦的外形，但受图像传感器阵列和相关电子设备的尺寸限制，导致它们的横向尺寸很大。因此，这些方法最适合在应用于组织表面，不适合植入组织深层成像。
文章创新点：
基于此，美国约翰霍普金斯大学的Jaewook Shin(第一作者)和Mark A. Foster(通讯作者)等人提出将编码孔径成像与多芯光纤相结合，创建了一个头端(distal)无透镜的显微内窥镜系统，同时实现了小型化和宽视野。该显微内窥镜对弯曲不敏感，能够实现彩色成像。视场980um，使用6000根纤芯，分辨率达14um.
原理解析：
（1）图像形成及重建。本质上，头端透镜被一个简单的随机二元空间掩模（即编码孔径）取代，它调制从场景传播到光纤面的光强。与宽场照明方法不同，每个光纤纤芯用作单个测量而不是图像像素，因为纤芯测量从场景内不同点发出的光的伪随机线性组合，从而能够在没有像素化伪影的情况下重建图像。成像问题可以描述为y=Ax, A是一个大小为M X N的标定矩阵，它的每一列表示系统对点物的响应。x是大小为N X 1的重建图像，y是大小为M X 1的系统响应(M是多芯光纤的纤芯数，N是重建图像的像素数)。图像重建可以看作为一个最小化的约束优化问题来求解。
（2）标定矩阵标定。对于二维图像，重建的图像是60*60个像素，在980um的视场上标定60*60=3600个物方点源的图像。对于三维图像，设立11个深度层，层间间隔为300um，标定11*60*60=39600个点源图像。对于彩色成像，还需要单独标定每一个颜色通道。
视频1：三维成像效果
附录：
（2）无透镜与有透镜性能对比：
（3）实验装置
参考文献：J. Shin, D. N. Tran, J. R. Stroud, S. Chin, T. D. Tran, M. A. Foster, A minimally invasive lens-free computational microendoscope. Sci. Adv. 5, eaaw5595 (2019).
DOI：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaw5595#F3
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