psfmodels

点扩散函数的标量和矢量模型的Python绑定。

原始C++代码和MATLAB MEX绑定版权©2006-2013，Francois Aguet，在GPL-3.0许可下分发。Python绑定由Talley Lambert提供

此软件包包含三个模型

1. 矢量模型在Auget等人2009年[1]中描述。更多信息和技术细节，请参阅Francois的论文[2]。
2. 基于Gibson & Lanni[3]的标量模型。
3. 高斯近似（包括傍轴和非傍轴），使用Zhang等人（2007年）[4]的参数。

[1] F. Aguet等人，（2009）Opt. Express 17(8)，第6829-6848页

[2] F. Aguet. （2009）基于物理模型的超分辨率荧光显微镜。瑞士联邦理工学院洛桑EPFL论文编号4418

[3] F. Gibson和F. Lanni（1992）J. Opt. Soc. Am. A，第9卷，第1期，第154-166页

[4] Zhang等人（2007年）。应用光学。2007年4月1日；46(10)：1819-29。

另请参阅

有关不同的（更快的）基于标量的 Gibson–Lanni PSF 模型，请参阅基于 Li 等人（2017） 的 MicroscPSF 项目，该模型已在 Python、MATLAB 和 ImageJ/Java 中实现。

安装

pip install psfmodels

从源代码安装

git clone https://github.com/tlambert03/PSFmodels.git
cd PSFmodels
pip install -e ".[dev]"  # will compile c code via pybind11

用法

psfmodels 中有两个主要函数：vectorial_psf 和 scalar_psf。此外，每个版本都有一个辅助函数，分别称为 vectorial_psf_centered 和 scalar_psf_centered。主要区别是 _psf 函数接受一个 Z 位置向量 zv（相对于载玻片），在这些位置计算 PSF。因此，点光源可能实际上不在渲染体积的中心。相比之下，_psf_centered 变体不接受 zv，而是接受 nz（z 平面的数量）和 dz（以微米为单位的 z 步长），并且始终生成一个输出体积，其中点光源位于 Z 范围的中间，且各平面之间的距离相等。所有函数都接受一个 pz 参数，指定点光源相对于载玻片的位置。有关其他关键字参数，请参阅以下内容。

请注意，所有输出维度（nx 和 nz）应为奇数。

import psfmodels as psfm
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.colors import PowerNorm

# generate centered psf with a point source at `pz` microns from coverslip
# shape will be (127, 127, 127)
psf = psfm.make_psf(127, 127, dxy=0.05, dz=0.05, pz=0)
fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2)
ax1.imshow(psf[nz//2], norm=PowerNorm(gamma=0.4))
ax2.imshow(psf[:, nx//2], norm=PowerNorm(gamma=0.4))
plt.show()

# instead of nz and dz, you can directly specify a vector of z positions
import numpy as np

# generate 31 evenly spaced Z positions from -3 to 3 microns
psf = psfm.make_psf(np.linspace(-3, 3, 31), nx=127)
psf.shape  # (31, 127, 127)

所有 PSF 函数接受以下参数。除非另有说明，单位应为微米。Python API 可能在未来略有变化。请参阅函数文档字符串。

nx (int):       XY size of output PSF in pixels, must be odd.
dxy (float):    pixel size in sample space (microns) [default: 0.05]
pz (float):     depth of point source relative to coverslip (in microns) [default: 0]
ti0 (float):    working distance of the objective (microns) [default: 150.0]
ni0 (float):    immersion medium refractive index, design value [default: 1.515]
ni (float):     immersion medium refractive index, experimental value [default: 1.515]
tg0 (float):    coverslip thickness, design value (microns) [default: 170.0]
tg (float):     coverslip thickness, experimental value (microns) [default: 170.0]
ng0 (float):    coverslip refractive index, design value [default: 1.515]
ng (float):     coverslip refractive index, experimental value [default: 1.515]
ns (float):     sample refractive index [default: 1.47]
wvl (float):    emission wavelength (microns) [default: 0.6]
NA (float):     numerical aperture [default: 1.4]

与其他模型的比较

虽然这些模型肯定比在 Li 等人（2017） 和 MicroscPSF 中实现的模型要慢，但标量和矢量近似之间有一些有趣的差异，尤其是在较高 NA 透镜、非理想样品折射率和从载玻片起随深度增加的球差方面。

有关交互式比较，请参阅 examples.ipynb Jupyter 笔记本。

光线片 PSF 实用函数

psfmodels.tot_psf() 函数提供了一种快速模拟总系统 PSF（激发 x 检测）的方法，这在光线片显微镜上可能会观察到（目前仅支持严格正交的激发和检测）。请参阅 lightsheet.ipynb Jupyter 笔记本中的示例。