可见光域多波长叠层衍射成像的实验研究

运用模拟实验和光学实验研究了叠层衍射成像中波长数量和噪声对复原结果的影响. 模拟结果表明, 在多波长叠层衍射成像中, 复原质量随波长数量的增加而不断提高并最终达到一定极限. 光学实验以不同样品进行实验验证, 进一步研究了增加波长与随之引入噪声及系统复杂度间的制约关系. 研究发现, 并非波长越多成像效果越好, 而可能存在一个最优的成像条件. 利用所建实验装置, 在双波长照明条件下取得了相对最优的成像效果. 本结论对提高叠层衍射成像的质量具有现实意义.     

可见光域叠层成像中照明光束的关键参量研究

研究了可见光域叠层成像中照明光束的系列关键参量对成像质量的影响. 利用叠层成像迭代恢复算法,通过模拟实验研究了照明光束的交叠率、光束尺寸以及几何形状对成像恢复质量的相互制约关系. 模拟结果表明,光束的交叠率是影响成像恢复质量的主要因素,光束的形状主要影响成像的收敛速度,而光束尺寸对成像的恢复质量以及收敛速度直接影响较小. 因此,通过模拟可以对可见光域、X 射线以及电子波段等其他波段的实验进行系统优化照明光束参数起到一定的理论指导作用. 关键词： 相干衍射 叠层成像 相位恢复     

多波长同时照明的菲涅耳域非相干叠层衍射成像

传统的叠层衍射成像往往采用单波长照明,即使使用多波长来提升恢复质量也是采用依次照明的方式,同时对相干性要求很高.非相干光照明一直被认为不利于衍射成像.本文提出了一种多波长同时照明的非相干叠层衍射成像方案及相应的多路复用叠层衍射成像算法,并通过仿真和实验验证了该方案的可行性.相比于传统的相干叠层衍射成像方案,该方案不仅能够很好地恢复物像,同时也能够恢复不同波长下分别对应的物体的光谱响应、复振幅探针和光谱比例,从而获得更多的物体信息,具有多通道和多光谱的优势.同时,通过彩色图像编码的方式,能够实现物体的真彩色复原和图像质量的增强.此外,还证明了该算法具有很强的鲁棒性,研究了最多可分辨波长的数量.该研究结果为叠层衍射成像技术的信息多路复用及多光谱成像在更多领域的应用展现了可能性.     

基于叠层衍射成像的二元光学元件检测研究

本文提出了一种基于叠层衍射成像(ptychography)的二元光学元件的检测方法,该方法可实现对二元光学元件表面微观轮廓的检测以及特征尺寸的标定.相比于传统的二元光学元件检测方法,其使用无透镜成像技术,简化了系统结构并可适用于特殊环境下的检测.该方法可直接通过采集多幅衍射图,利用叠层衍射成像迭代算法可精确地复原大尺寸待测元件的表面微观轮廓,提高大尺寸器件的检测效率.本文模拟仿真了台阶高度与噪声大小对纯相位台阶板复原结果的影响,并在光学实验中选取计算全息板为样品,复原样品的表面微观轮廓信息以及得到台阶高度.以白光干涉仪检测结果为标准,该方法在精度要求不太高的前提下,可获得令人满意的成像质量.     

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.     

平场复用多焦点结构光照明超分辨显微成像

多焦点结构光照明显微技术(multifocal structured illumination microscopy, MSIM)能在50μm的成像深度内和1Hz的成像速度下实现两倍于衍射极限分辨率的提升,相比传统的宽场结构光照明显微技术,具有较大的成像深度和层析能力,更适合应用于厚样品的长时程三维超分辨成像.然而, MSIM存在成像速度慢、图像处理过程复杂等问题.本文提出了一种基于平场复用多焦点结构光照明的快速超分辨显微成像方法和系统(flat-field multiplexed MSIM, FM-MSIM),通过在照明光路中插入光束整形器件,将高斯光束转变为均为分布的平顶光束,提高激发点阵的强度均匀性和扩大视场;通过将每个衍射受限的激发点沿y方向延长,形成新的多路复用多焦点阵照明图案,提高能量利用率,减少扫描步数,进而提高成像速度和信噪比;结合基于多重测量矢量模型的稀疏贝叶斯学习图像重构算法,简化图像重构步骤,在保证空间分辨率的同时实现至少4倍于传统MSIM的成像速度.在此基础上,利用搭建的FM-MSIM系统进行了BSC细胞微管样片和小鼠肾切片标准样片的超分辨成像实验,实验结果证明...     

双光束照明3PIE层析成像

在单光束照明3PIE(Ptychographic Iterative Engine)方法中,照明光垂直照射在待测样品表面,没有考虑照明光倾斜对重构结果的影响。在单光束照明3PIE方法的基础上提出了双光束照明3PIE方法,同时模拟分析了初始猜测照明光中相位倾斜因子对成像质量的影响。双光束照明3PIE方法在迭代恢复样品的过程中,两束照明光均用于更新同一样品的复振幅分布,理论分析和实验结果均表明,双光束照明3PIE方法能够提高算法的收敛速度,有效减弱恢复样品不同层次之间的串扰,适用于三维层析成像。     

无衍射光束提高成像系统分辨率

设计了一种在非相干光源下利用轴棱锥产生的无衍射光束成像系统.基于衍射积分理论与点扩散函数推导出成像系统分辨率的表达式,利用光学软件对无衍射光束成像系统的初始结构模型进行仿真,并以蓝光LED作为光源,将条纹状物体、透镜组以及轴棱锥等光学元件组合为成像系统进行实验.结果表明:实验结果与理论分析相符,即非相干光源无衍射Bessel光束成像系统利用无衍射光束的特性能够提高成像分辨率.     

基于共聚焦亚像素扫描的高分辨三维成像

激光雷达技术因具有高精度、高分辨率和工作距离远等优点被广泛应用于三维成像。然而，受光学系统衍射极限的限制，激光雷达的空间分辨率随着目标距离的增大而显著降低。为解决上述问题，结合共聚焦照明技术和亚像素扫描技术，提出一种聚焦照明亚像素扫描光子计数激光雷达，并在实验室内进行了10 m成像实验。结果表明，相较于准直照明光束，采用共聚焦照明光束可将系统空间分辨率由5.0 mm提高到0.9 mm，不仅实现了超光学系统衍射极限成像，还有效降低了多重回波的影响，增强了回波强度。     

基于旋转相位编码与照明光束匹配的叠层衍射成像算法研究

在传统的叠层成像算法中引入一种旋转相位编码与照明光束相匹配.采用分块均匀分布的旋转相位调制器对衍射光进行调制,在探测面获得了相应的衍射图样.这种照明光束与相位匹配的方式有效地增加了解的约束条件,具有收敛速度快、抗噪声及抗位置偏差能力强等优点.与随机相位调制相比,本算法所引入的旋转相位调制器构造简单、使用便捷,因而在实时显微成像、超分辨成像等领域将具有更高的实用价值.     

Optical force on diseased blood cells: Towards the optical sorting of biological matter

By employing a series of massively parallel ab-initio simulations, we study how optical forces act on biological matter subject to morphological disease. As a representative case study, we here consider the case of Plasmodium falciparum on red blood cells (RBC) illuminated by a monochromatic plane wave. Realistic parameters for the geometry and the refractive index are then taken from published experiments. In our theoretical campaign, we study the dependence of the optical force on the disease stage for different incident wavelengths. We show that optical forces change significantly with the disease, with amplitude variation in the hundreds of pN range. Our results open up new avenues for the design of new optical systems for the treatment of human disease.     

Resolution and visibility of two-color pseudothermal lensless ghost imaging

Two-color (or nondegenerate-wavelength) lensless ghost imaging using pseudothermal light source is investigated theoretically by use of classical optical coherence theory. We find that for two-color pseudothermal lensless ghost imaging the visibility and resolution is determined by (Δ) the product of the wavelength and the corresponding path length rather than the wavelength for each path or the path length. We also confirm our theoretical conclusion by numerical simulations. The result shows we must make a trade-off between resolution and visibility in devise practical experiments, as the resolution of the imaging can be improved by decreasing Δ but with visibility getting poor, and vice versa.     

All-angle negative refraction for surface plasmon waves using a metal-dielectric-metal structure

We show that a metal-dielectric-metal structure can function as a negative refraction lens for surface plasmon waves on a metal surface. The structure is uniform with respect to a plane of incidence and operates at the optical frequency range. Using three-dimensional finite-difference time-domain simulations, we demonstrate the imaging operation of the structure with realistic material parameters including dispersions and losses. Our design should facilitate the demonstration of many novel effects associated with negative refraction on chip at optical wavelength ranges. In addition, this structure provides a new way of controlling the propagation of surface plasmons, which are important for nanoscale manipulation of optical waves.     

不同荧光波长的双光子共焦成像分析

研究了双光子共焦显微镜中不同荧光波长对成像特性的影响,导出了不同荧光波长的三维脉冲响应函数和三维光学传递函数并进行数值计算.研究结果表明：不同荧光波长对双光子共焦显微镜的三维光学传递函数、三维脉冲响应函数和空间截止频率产生明显的影响,随着荧光波长的增大,分辨率明显下降,但不会出现单光子共焦显微镜中的失锥现象,选取适当的荧光波长进行成像,有利于进一步改善图像分辨率和成像质量.     

上海光源硬X射线相干衍射成像实验方法初探

相干X射线衍射成像方法是一种先进的成像技术,分辨率可达纳米量级.国际上大多数的同步辐射装置和自由电子激光装置都建立了该成像方法,并有将其作为主要成像技术的趋势.上海光源作为目前国内唯一的一台第三代同步辐射光源,尚未建立基于硬X射线的相干衍射成像实验平台.随着一批以波荡器为光源的光束线站投入使用,使得该方法的建立成为了可能.本文基于上海光源BL19U2生物小角散射线站,通过有效的光路设计,搭建了相干衍射实验平台,在12 keV和13.5 keV能量点均获得了硬X射线相干光束,并基于小孔衍射测量了入射光束的空间相干长度.该平台支持常规和扫描相干衍射实验模式,对小孔衍射图样及波带片扫描衍射图样实现了正确的相位重建,证明了该平台初步具备开展硬X射线相干衍射成像实验的能力.硬X射线相干衍射成像实验平台为国内首次建立,将为国内该实验方法的发展和应用提供有效的软硬件支持.     

Self-guiding of infrared and visible light in photonic crystal slabs

We experimentally demonstrate diffractionless guidance and efficient routing of light in two-dimensional photonic crystal slabs at infrared and visible wavelengths. Our particular design allows for simultaneous guidance of TE and TM polarized light beams at the same wavelength. Routing performance and possibilities of propagation loss reduction are investigated experimentally. Experimental results are in excellent agreement with three-dimensional simulations.     

离体正常乳腺组织350～850 nm波段光谱特性

采用带有积分球附件的紫外/可见/近红外分光光度计测量了离体正常乳腺组织在350～850 nm光谱范围的反射率和透射率,运用反向倍加法得到了离体正常乳腺组织在相应光谱范围的光学参数,分析了正常乳腺组织的光学穿透深度随波长的变化情况。实验结果表明：350～850 nm波段正常乳腺组织的约化散射系数μ′_s大于吸收系数μ_a。μ′_s随着波长的增加而减小,即从350 nm波长值为9.731 mm-1～850 nm波长值为1.476 mm-1。μ_a从350 nm波长值为0.798 mm-1～850 nm波长值为0.102 mm-1,410 nm波长处存在一个吸收峰,其值为0.506 mm-1。光学穿透深度随着波长的增加而增大,从350 nm波长值为0.199 mm-1～850 nm波长值为1.439 mm。基于反向倍加法计算获得乳腺组织的光学参数,采用Monte Carlo模拟得到其相应光谱范围的反射率和透射率,并与实际测量值进行比较,二者的一致性较好。实验结果为乳腺组织的光活检及其光学治疗提供重要参考。