用于大景深三维纳米分辨多分子追踪的衍射光学元件的设计制备和实验研究

发展能实时检测完整细胞内多个生物分子随时空变化的单分子探测和追踪技术, 对于研究生命过程的分子机理具有重要意义. 在变形光栅多阶成像和双螺旋点扩散函数成像方法的基础上, 基于波前编码的原理, 提出将二者优化结合, 获得全新的衍射光学元件, 该器件同时具有多重平面成像和双螺旋点扩散函数成像的功能, 旨在解决活细胞内单分子探测和追踪技术中的大景深探测难题. 设计和制备了该器件, 并基于该器件搭建了显微成像系统, 实验模拟证明该衍射光学元件同时可实现轴向12 μ的探测范围, 与理论设计结果相符合, 从而有效扩大了显微镜系统的景深, 证明了设计的可行性. 关键词： 多分子追踪 衍射光学元件 变形光栅 双螺旋点扩散函数     

高效双螺旋点扩展函数相位片的设计与实验研究

双螺旋点扩展函数具有随离焦连续旋转变化的特性, 结合单分子定位方法可用于厚样品三维超分辨成像及分子定位追踪研究. 但双螺旋点扩展函数不足之处是光能利用率低, 对于光子数受限的荧光显微成像而言其应用受限. 本文通过对双螺旋点扩展函数在空域、频域和拉盖尔-高斯模式面等三个不同域中进行约束优化. 模拟结果表明, 优化后的双螺旋点扩展函数的光能效率提高了30多倍. 同时, 基于最优设计方案制备了相位片, 并实验验证了该设计的正确性. 与文献报道相比较, 本文结果在成像深度和光能利用率方面都有所改善. 关键词： 双螺旋点扩展函数 超分辨成像 轴向定位 优化算法     

超衍射成像中 双螺旋点扩展函数的三维定位精度

开关效应和单分子定位的结合可以实现样品的超衍射分辨成像, 双螺旋点扩展函数将单分子定位纳米分辨从二维扩展到了三维.本文对双螺旋点扩展函数的三维定位精度展开了探讨.首先, 基于费希尔信息量, 计算了双螺旋点扩展函数的无偏估计, 得出其理论定位精度, 并分析了光子数、背景噪声以及有效像元尺寸大小对其定位精度的影响; 其次, 基于单分子定位实验过程中对于数据分析通常采用的高斯拟合质心定位算法, 通过误差传递函数定律求得双螺旋点扩展函数的轴向定位精度.计算机模拟结果表明, 在光子数大于1000的条件下, 高斯拟合质心定位精度和费希尔信息量理论定位精度符合较好. 本文的讨论不仅为双螺旋点扩展函数的三维定位精度提供了理论依据, 同时也可为实验提供理论指导. 关键词： 双螺旋点扩展函数 费希尔信息量 定位精度 高斯拟合     

基于相位掩模的粒子三维定位

快速、精确地对粒子进行三维定位在生命科学、材料科学、工业检测等领域具有重要的应用价值。传统的粒子定位方法由于运算量繁重，难以满足快速、精确的需求。文章提出了一种新的基于相位掩模的粒子三维定位方法。采用Fienup优化算法设计位于4f系统频谱面上的相位掩膜，针对不同深度的点光源获得一系列点扩散函数；结合粒子位置和所成图像进行神经网络训练，可在8μm轴向范围内经单次测量实现目标粒子在三维空间中的高精度定位。两组模拟设计的数值结果表明所提方法能够快速高效地完成稀疏粒子的三维定位，在细胞粒子成像定位等方面具有重要的应用价值。     

基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微

在传统共聚焦显微技术的基础上,图像扫描显微技术使用面阵探测器来代替单点探测器,结合虚拟数字针孔并利用像素重定位和解卷积图像重构算法将传统宽场显微镜的分辨率提高一倍,实现了高信噪比的超分辨共焦成像.但是,由于采用逐点扫描的方式,三维成像速度相对较慢,限制了其在活体样品成像中的应用.为了进一步提高图像扫描显微术的成像速度,本文提出了一种基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微成像方法和系统.在照明光路中,利用高速数字微镜器件产生周期分布的聚焦点阵对样品进行并行激发和快速二维扫描;在探测光路中,利用双螺旋相位片将激发点荧光信号的强度分布转换为双螺旋的形式;最终,利用后期数字重聚焦处理,从单次样品扫描数据中重构出多个样品层的超分辨宽场图像.在此基础上,利用搭建的系统分别对纤维状肌动蛋白和海拉细胞线粒体进行成像实验,证明了该方法的超分辨能力和快速三维成像能力.     

基于液体变焦透镜和振镜的三维光片显微成像系统

搭建了一种基于液体变焦透镜和振镜的三维光片显微成像系统,设计了振镜、液体变焦透镜、相机的同步控制采集成像系统,通过调谐振镜和液体变焦透镜,使得光片激发样品和成像同步,获得样品不同切面的图像堆栈并实现样品的三维重建。当采用数值孔径为0.3、放大倍率为10的成像物镜时,该系统的轴向扫描范围为507μm,横向视场达到1970μm×1300μm,横向分辨率为1.32μm,轴向分辨率可达12.75μm。在轴向扫描过程中,系统的放大倍率保持恒定,可以用于对一定尺寸生物样品的成像实验和相关研究,并通过对斑马鱼胚胎进行成像验证所提系统对厚生物样品成像的可行性。     

3D-STORM超分辨成像中单分子轴向定位精度优化研究

为定量描述柱透镜参数对三维成像过程中荧光分子轴向定位精度的影响,本文研究了柱透镜参数与点扩散函数椭圆率的相互关系.基于Olympus IX-83倒置荧光显微镜搭建成像系统,利用3个不同焦距柱透镜进行实验,通过柱透镜标定曲线的线性变化范围及该范围内曲线的斜率分析柱透镜参数选择上的优劣,优化并提高轴向定位的精度和深度.选择合适的柱透镜参数可实现标定曲线在焦平面上下1μm范围线性变化,轴向定位精度为16nm,并采用优化的标定曲线对肌动蛋白微丝进行三维超分辨成像.     

结合去卷积的艾里光束片状光显微成像研究

为了解决传统高斯光束片状光照明显微成像技术高轴向分辨率时视场范围(FOV)小的问题,结合艾里光束片状光照明样本成像与去卷积算法,实现了光片显微镜对样本的高轴向分辨率大视场成像。数值模拟了高斯光束与艾里光束经过物镜聚焦后的光强分布。搭建实验光路系统,在液晶空间光调制器上加载三次相位图生成艾里光束,并扫描光束生成片状光照明荧光微球、染色的斑马鱼肌肉组织进行成像实验。在艾里光束光片显微镜成像结果基础上,建立去卷积算法进行图像恢复,克服了艾里光束光片显微镜成像范围大但轴向分辨率不高的问题,对荧光微球成像,探测放大倍率为42倍,FOV从高斯光束光片显微镜的25μm扩大到208μm;对染色的斑马鱼肌肉组织进行成像,探测放大倍率为53倍,FOV由20μm扩大到167μm。仿真和实验表明,通过艾里光束光片显微镜与去卷积算法的结合可以在扩展光片显微镜成像视场的同时提高轴向分辨率。     

正交像散高密度三维单分子定位显微的数值模拟

单分子定位显微(single molecule localization microscopy, SMLM)成像技术利用荧光分子的稀疏发光、探测及定位,实现了纳米级空间分辨率的超分辨成像.为了提高其时间分辨率,需要提高同时发光的荧光分子密度.但随着分子密度的提高,不同分子的点扩散函数(point spread function, PSF)在探测器上将发生严重的重叠现象,导致空间分辨率降低,尤其是在进行三维SMLM成像时.为了解决这一问题,本文提出了一种基于正交像散的高密度三维单分子定位超分辨成像方法,并对该方法进行分析和数值模拟研究.该方法的核心是在单分子定位显微镜中将采集的荧光分成两束成像在同一个探测器的两个区域,并在两个通道中各引入一个光学参数相同但取向相互正交的柱透镜,实现对同一个荧光分子正负两个像散PSF图像的同时探测,然后建立该成像过程的线性投影模型,利用压缩感知算法求解出荧光分子的三维定位信息.结果表明,由于两个正交柱透镜产生的一组正交像散PSF对作为一个分子的系统响应时具有较低的相关性,该方法的高密度三维定位准确性可显著优于采用单个柱透镜的传统像散方法,且离焦程度越大两个...     

基于螺旋相位调制的非相干全息点扩散函数研究

分析了菲涅耳非相干相关全息(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)系统中纯相位空间光调制器(spatial light modulator,SLM)加载螺旋相位掩模时的点扩散函数.以氙灯为照明光源搭建了FINCH系统,电荷耦合器记录的点源全息图与点扩散函数模拟结果一致.采用该系统分别在SLM上加载双透镜掩模和螺旋相位调制双透镜掩模两种情况下对分辨率板和非染色洋葱细胞成像,给出了成像对比结果.结果表明:采用螺旋相位调制的FINCH系统可以在几乎不牺牲分辨率的情况下提高图像的边缘对比度;同样,对相位物体也可以实现图像的边缘提取和识别.该方法在实时监测活细胞的分裂、形变等方面具有重要应用前景.     

零像散宽波段平场全息凹面光栅的优化设计

平场全息凹面光栅的理想像面应为一平面,此时子午焦线与弧矢焦线均位于像面内且彼此重合,形成接近理想像点的光谱像。但子午焦线总是存在弯曲,只有弧矢焦线在满足一定条件的情况下可以成为直线。鉴于此,提出一种满足平场弧矢焦线条件的平场全息凹面光栅设计方法。利用光学设计软件ZEMAX研究了运用此方法设计的零像散光栅的成像特性,并与原有设计方法得到的结果进行比较。模拟结果显示,满足平场弧矢焦线条件的光栅能够达到与原有方法所设计光栅相当的光谱分辨率,而其全波段零像散特性使其拥有更加出色的弧矢方向聚焦性能,显著提高平场光谱仪的信噪比。     

Design of an all-dielectric long-wave infrared wide-angle metalens

Optical metasurfaces are two-dimensional arrays of nano-scatterers that modify optical wavefronts at subwavelength spatial resolution. They achieve the effect of focusing through phase control under a subwavelength scale, and are called metalenses. They are poised to revolutionize optics by enabling complex low-cost systems. However, there are severe monochromatic aberrations in the metasurfaces. In this paper, the coma of the long-wave infrared optical system is eliminated through a single-layer metasurface. By changing the phase function, this metalens has a numerical aperture of 0.89, a focal length of 150 μm and a field of view of 120° (0.4@60 line pairs/mm) that enables diffraction-limited monochromatic imaging along the focal plane at a wavelength of 10.6 μm. The designed metasurface maintains a favorable value of the modulation transfer function at different angles. This equipment can be widely used in imaging and industrial processing.     

Fringe localization using focus measure

A method for automated evaluation of fringe localization using focus measure is demonstrated experimentally. Dual-illumination digital holographic interferometry is used to generate phase difference maps (PDMs) of a rough test object. Focus measure values of the PDMs along the axial direction (increment: 10λ=6.33 μm) yield an inverted bell-shaped curve which, in turn, facilitates the characterizations of the plane and region of fringe localization. The method can be applied in the distance measurement of rough objects and in the optimization of fringe visibility.     

基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计

为满足航天应用中仪器小型和轻量化、大视场的观测要求,通过分析现有Offner成像光谱仪,给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法。并据此方法设计了一应用于400 km高度,波段范围为0.4~1 μm,焦距为720 mm,F数为5,全视场大小为4.3°的分视场成像光谱仪系统。分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现。三狭缝光谱面共用一个像元数为1 024×1 024,像元大小18 μm×18 μm的CCD探测器。通过ZEMAX软件优化和公差分析后,系统在28 lp·mm-1处MTF优于0.62,光谱分辨率优于5 nm,地面分辨率小于10 m,能很好的满足大视场应用要求,该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍。     

基于辅助光学系统的KB显微镜瞄准方法

 研究了利用辅助可见光系统精确瞄准KB显微镜物点的方法。设计了工作能点8 keV的周期多层膜KB显微镜系统,通过光线追迹和X射线成像实验,得到5 μm空间分辨率所对应的视场和景深,进而计算出诊断实验对应的指向和景深要求。基于KB系统的物像关系和精度要求,设计了辅助的可见光成像系统,实现了可见光系统与X射线KB系统间的等效瞄准,利用耦合好的系统进行了瞄准和X射线成像实验。实验结果表明:辅助光路可以实现±20 μm的垂轴面和±300 μm的轴向定位精度,满足KB显微镜的瞄准要求。     

分孔径中波红外多光谱成像光学系统的设计

为了同时获得目标的红外图像信息和光谱信息,设计了一种分孔径中波红外分波段成像光学系统。该系统可将位于成像器前方不同波段的目标红外场景通过分孔径方式成像到红外制冷型探测器的4个区域上。该系统通过内部分孔径的办法,在不同通道内放置滤光片的方式,实现在一个探测器上对3.5 μm~4.1 μm、4.4 μm~5 μm、3.5 μm~5 μm、4.4 μm不同波段的目标同时成像。该系统F数为1.93,单通道的焦距为60 mm,MTF接近衍射极限,同时实现了在-40℃~+60℃的无热化需求,可以满足应用和指标需求。     

一种工作于长波红外波段的40×成像物镜设计

为了同时满足热成像领域高分辨率与大探测范围的应用需求,基于机械正组补偿变焦理论,以一款长焦物镜为原型并采用浮动光阑结构,设计了一款高分辨率、高倍率的长波红外成像系统.系统的F数为1.2,变倍比为40×,焦距变化范围为5.86 mm～234.76 mm,无热化温度范围为-40℃～60℃,适配像元尺寸为12μm的长波红外焦...     

双波长共焦衍射光学元件分析与设计

报道二维纯位相环带衍射光学透镜的研究。结果表明，在确定位置的像平面的光强分布呈现相当理想的光聚焦作用；同时以１．０６μｍ和０．６３２８μｍ两种波长为例，对双波长二维成像的环带衍射透镜进行分析计算，结果表明二种波长的光束都能聚焦于同一像平面。这种元件可方便地用于非可见激光中的对焦与光路调整。