光学移频超分辨成像技术进展

光学显微镜具有无损、样品友好、速度快等优点,一直是人类探索微观世界的主要手段.但是,由于受到衍射极限限制,长期以来,光学成像系统的分辨率最高仅能达到可见光半波长量级,逐渐成为科学技术发展的桎梏.对于荧光标记样品,可以利用荧光超分辨光学显微成像技术打破光学衍射极限,填补电子显微镜(约为1 nm)和普通可见光学显微镜(20...     

新型超高时空分辨率超分辨成像技术

众所周知,白光通过三棱镜后可以分为赤橙黄绿青蓝紫的七色光,每种颜色代表了一段光谱。最近,北京大学席鹏课题组利用量子点的光谱特性,成功实现了新型超高时空分辨率的超分辨成像技术。相关研究成果发表在Nature出版集团的《科学报告》杂志上。超分辨技术(super-resolution)因其能够提供低于衍射极限的分辨率而获得了2014年诺     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率     

超分辨成像及超分辨关联显微技术研究进展

光学成像系统中有限孔径对光波的衍射,使得光学显微成像技术的分辨率受到"衍射极限"限制而无法进一步提高.自1873年E.K.Abbe提出该问题以来,衍射极限就一直是学术界研究的热点.近年来,随着高强度激光、高灵敏探测器等光电器件研制技术以及新型荧光探针开发等相关领域的快速发展,光学显微技术衍射极限问题的研究迎来了新的契机,超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy.SRM)在近十年内取得了令人瞩目的巨大成就.本文从空域和频域角度回顾了衍射极限分辨率的基本原理,并据此对目前常见的各种SRM技术"绕过"衍射极限提高分辨率的机理给予了详解,同时介绍了各类技术的发展动态和研究方向;作为SRM的一个新的重要的发展趋势,本文详细介绍了超分辨关联显微技术的最新研究进展,包括SRM与活细胞实时荧光显微、荧光寿命显微、光谱测量和成像、电子显微、原子力显微、质谱技术等的关联,着重讨论了各类超分辨关联显微技术的作用和意义;最后,对SRM技术和超分辨关联显微技术的未来发展方向进行了展望.     

变像管扫描相机超分辨诊断技术研究

 时间分辨力是变像管扫描相机的重要技术参数,提出了将超分辨率图像复原理论应用于超快诊断研究,首先阐述了图像超分辨率复原在超快诊断中应用的可能性,给出了变像管扫描相机图像点扩散函数的分析和计算方法。最后,基于Poisson MMAP（MPMAP）超分辨力复原算法,获得了Au阴极X射线变像管扫描相机的图像复原结果,实验结果证明了方法的有效性,为变像管扫描相机时间分辨力的提高提供了一种新的途径。     

基于水下成像系统模型的水下图像超分辨率重建技术研究

水下成像技术在诸多领域获得了越来越多的应用,然而由于受到成像器件参数、水体特性等成像系统参数的影响,水下图像的分辨率普遍较低、像质较差。基于包括点扩散函数、衍射极限等水下成像系统模型的图像超分辨率重建技术,能够在提高图像分辨率的同时增强图像质量。为了尽可能提高图像分辨率,建立了基于光束传播理论的超分辨率成像模型,并将其应用于水下脉冲激光距离选通成像结果图像的超分辨率重构。重构实验的结果表明,所提出的方法可以有效地提高水下成像的分辨率和质量。     

结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望

结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy,SIM)通过结构化照明在频率域以空间混频的方式将物体高频信息载入光学系统的探测通带内实现突破衍射极限的超分辨光学显微成像。SIM凭借其较低的激发光强、对荧光染料的非特异性需求以及快速的宽场成像优势已成为活细胞超分辨光学显微成像方面应用最多的技术。本文系统回顾了SIM的技术进展,对SIM的基本原理与实现方法进了详细的分析,重点介绍了本课题组研发的基于光谱分辨的单光子激发超分辨显微镜和结合自适应光学的双光子激发超分辨显微镜这两种最新的SIM技术,最后简要讨论了SIM技术在生物成像中的应用及未来发展方向。     

曲面相机阵列多分辨成像方法

针对现有成像系统因数据冗余而无法兼顾大视场、高分辨、高效性的问题,结合人眼视网膜变分辨成像和并列式复眼成像原理,设计一种多分辨率成像的复合仿生成像系统.该成像系统按照球面和平面兼顾的曲面布局方式,利用11个相机镜头构建相机阵列,组成了四个等级分辨率的子眼拍摄模块.通过物距100 m的远景实验和物距10 m的近景实验发现,该系统在实现高分辨成像的同时,获得总视场达150.8°×37.8°.多分辨率成像实验结果表明,该系统获取的图像的分辨率从中心视场到边缘视场逐渐降低,并且相较于中心清晰全视场成像,四级分辨率成像的拼接图像数据量减少了17.2倍的数据冗余.     

超分辨光学成像中的高速高精度图像分析方法

本刊讯光学显微镜的分辨率受到衍射效应的限制。自1873年以来,200nm的“阿贝极限”一直被认为是光学显微镜理论上的分辨率极限。近年,人们在超越衍射极限的成像方法研究中取得了令人瞩目的进展,其中,基于单分子定位的超分辨光学成像技术,获得了高达30～50nm的空间分辨率,为科学研究的诸多领域,尤其是活细胞内动态过程的研究,提供了前所未有的工具。     

光电混合功率谱分析系统实时图象识别时的若干技术问题

本文针对光电混合功率谱分析系统(OPSA)在实际进行图象识别时的若干技术问题作了分析和讨论,并提出了相应的解决办法,实用效果比较好。     

基于大数值孔径环形光锥照明的超分辨光学 显微成像方法研究

提出和发展了一种基于大数值孔径环形光锥照明的远场超分辨光学显微成像新方法, 采用将发光二极管(LED)面光源、窄带滤光和环形光锥照明相结合的特种照明方式, 实现超分辨显微成像. 建立了大数值孔径环形光锥照明成像的物理模型, 根据标量衍射理论, 在不同环形光锥照明时, 推导出光学显微系统像面衍射斑光强分布的理论计算公式; 通过Matlab求解和绘图, 得到衍射斑光强的分布图样, 从理论上证明这一成像方法可以有效提高光学显微镜的分辨率; 建立了相应的显微成像系统, 通过实验验证了该方法可有效改善显微镜的成像质量, 显著提高分辨率; 在中心波长450 nm、环形光锥数值孔径1.125—1.25时, 实验获得的分辨率至少优于150 nm, 与理论研究结果相符合, 从而证明了这一方法的可行性.     

超分辨近场结构技术及其应用

超分辨近场结构(Super RENS)技术是在传统的超分辨光盘技术和近场光学的基础上发展起来的新技术。介绍了Super RENS技术的基本原理:利用掩膜层的非线性效应或表面等离子体增强效应,在近场区域可以记录、读出超过衍射极限的信号。综述了该技术在纳米光信息存储和光刻方面应用研究的最新进展,提出了存在的问题,展望了它的发展前景。     

基于光学成像的束流截面分布诊断系统

为了准确测量加速器氘离子的束流截面分布,开展了光学成像系统的设计研究。根据截面分布测量的要求,设计了光学成像系统的指标参数。采用光学设计软件ZEMAX进行了光学成像系统的设计,并通过标准白光光源和线对率板对成像效果进行检验。设计和检验的结果表明,该光学成像系统的总体成像质量较好,畸变小于0.05%,在光学分辨率为30 lp/mm的条件下,中心和边缘视场的调制传递函数（MTF）值均大于0.7。将完成设计加工的光学成像系统应用于氘离子束流截面分布测量实验,实验结果初步表明,基于荧光屏的光学方法测量束流截面分布是可行的。     

基于光时分复用技术的高速成像系统

提出了一种基于光时分复用技术的高速成像系统。飞秒激光器中心波长1557 nm,脉冲宽度90 fs,对USAF-1951分辨率板线性扫描成像,扫描频率为38.88 MHz。在连续时间序列编码放大显微成像技术的基础上,运用光时分复用技术,复制光脉冲信号并携带检测物体相同的空间信息。原光脉冲和复制光脉冲以相同的采样率分别采样,通过相应的数据处理将两次采样数据整合在一起还原图像。实验结果表明,与传统的超快成像方法相比,成像系统利用10 GHz的数字采样设备可以达到20 GHz的采样率,采样点数是传统超快成像方法的两倍。该方法有效克服了成像系统采样率不足的问题,提高了成像系统的空间分辨率。与此同时,该系统算法复杂程度不高,有利于进一步促进超高速成像技术的发展。     

Theoretical study of the trapping efficiency of an optical tweezers array system

Optical tweezers have been a valuable research tool since their invention in the 1980s. One of the most important developments in optical tweezers in recent years is the creation of two-dimensional arrays of optical traps. In this paper, a method based on interference is discussed to form gradient laser fields, which may cause the spatial modulation of particle concentration. The parameters related to the optical tweezers array are discussed in detail and simulated by the Matlab software to show the influence of important parameters on the distribution of particle concentration. The spatial redistribution of particles in a laser interference field can also be predicted according to the theoretical analysis.     

光存储系统中的游程长度受限编码

游程长度受限编码广泛应用于光(磁)存储系统中,通过将用户数据转换为符合特定信道约束的码元序列,从而提高数据传输的效率与可靠性。较为系统的介绍了游程长度受限编码的基本理论,从原理上分析了有限状态编码器与滑块分组译码器模型,并对主要的编码构造方法进行了概述,展望了游程长度受限编码的发展方向。     

差动共焦显微成像高稳定三维扫描技术与系统

激光差动共焦显微镜具备高空间分辨率特点,但因其逐点扫描成像方式,扫描时间长,易受三维扫描系统不稳定和环境干扰等影响,产生系统漂移,影响仪器的空间分辨率。利用楔块机构高稳定特点,结合刹车机构的自由抱闸特性,设计了一种新型的轴向升降机构,由此构建了结构更具稳定特性的电动三维扫描系统。稳定性实验验证在搭建的激光差动共焦显微镜上进行,经过监测系统在90min内的轴向位置,轴向漂移小于50nm,与原三维扫描系统漂移140nm对比,漂移速度明显减慢,稳定性有显著提升,进而明显改善了差动共焦显微成像效果。     

基于近场光学的微球超分辨显微效应

在光学成像领域,由于受到衍射极限的限制,常规成像分辨率在200nm左右.科学的不断进步对更高分辨率有着迫切需求,如何突破这个极限来获得更高质量的高分辨率图像是热门研究领域.2011年提出了微球超显微技术:在原有的光学系统中,将直径几微米至几十微米的透明微球直接置于样品表面,就能够成倍提高传统光学显微镜的成像能力.微球超显微技术以其简单直接的特点,受到广泛关注.本文介绍了光学显微镜的研究背景以及国内外团队在微球超分辨显微技术方面的研究进展,包括通过在微球表面进行环刻同心环、中心遮挡和表面涂覆的方法来调节微球所产生的光子纳米喷射方面所开展的一系列研究,并进行了理论模拟和实验验证,进一步提升了微球的超分辨显微效应.最后,展望了今后微球超分辨显微技术的应用与发展方向.     

压缩感知理论在光学成像中的应用

压缩感知以信号的稀疏性或可压缩性为条件,以远低于耐奎斯特采样频率对信号数据进行采样和编码。简要概括了压缩感知的基本理论,它采用非自适应线性投影来保持信号的原始结构, 能通过数值最优化问题精确或高概率地重构原始信号。详细介绍了其在光学成像系统中的应用,主要包括单像素相机、超薄成像、编码孔径成像、多路技术智能成像、多光谱成像和CMOS成像等成像系统。最后对该理论的应用前景进行了阐述。     

组合光调制中矢量分析方法

一般文献对光调制的分析方法为矩阵分析法,本文提出用矢量分析的新方法,并用此方法详细分析了电光调制和磁光调制的组合光调制中输出光强信号,得出了与矩阵方法一样的结果。