基于偏振滤波图像增强和动态散斑照明的宽场荧光层析显微镜

提出了一种基于偏振滤波图像增强和动态散斑照明的新型宽场荧光层析显微镜. 该显微镜采用了一种新型的偏振滤波图像增强技术, 基于激发光与荧光偏振态的差异, 利用偏振器件滤除激发光; 并利用动态散斑照明实现宽场层析. 该荧光层析显微镜具有结构简单、低成本、响应速度快、容易操作等特点. 实验研究结果表明, 本文提出的滤波方案能够显著地提高图像质量, 利用动态散斑照明实现宽场层析具有较高的纵向分辨能力. 研究丰富了在荧光显微镜中, 从强激发光中提取弱荧光信号的技术手段, 为今后发展具有快速响应, 波长可调谐的多光谱荧光层析等高端的显微镜具有重要参考意义.     

彩色漫射物体的压缩全息层析成像

漫射物体的压缩全息利用其非相干散射密度函数在统计意义上满足稀疏先验这一假设,可以从多幅散斑图案实现漫射物体的层析重建,避免了散斑和不同平面的散焦图像之间的串扰。将单波长照明条件拓展到红、绿、蓝三色波长,提出一种新的适用于彩色漫射物体的压缩全息层析成像方法,搭建多波长照明条件下漫射物体的层析成像模型,并通过解压缩推理方法有效地分离不同平面的三维非相干密度函数。数值模拟实验表明,所提方法可以在多幅二维彩色散斑图案中成功进行彩色层析漫射物体的压缩重建,有效地抑制了散斑效应以及不同平面的散焦图像之间的相互串扰。     

多色双光子激发荧光显微技术实验研究

双光子激发荧光(two-photon excited fluorescence, TPEF)显微是一种非线性光学显微技术, 具有高的时间分辨率和空间分辨率、高的信噪比和固有的三维层析分辨能力等优点. 传统的TPEF显微一般采用波长可调谐的超短脉冲激光器作为光源. 在实际应用中, 利用TPEF显微技术研究含有多种荧光团或未知成分的待测样品, 往往需要多次改变激发光的波长以获得对各种荧光团的最佳激发. 为了同时获取不同荧光团的荧光信号, 利用超连续谱激光光源实现了多色TPEF显微成像, 实验中无需调节波长, 能够同时获得具有两种不同发射波长的荧光标记的铃兰根茎切片样品的TPEF图像. 实验结果表明, 与传统的TPEF显微相比, 该方法能够同时获取含有多种荧光团的待测样品的高对比度TPEF图像, 具有系统结构简单、操作简便、信息量大等优点, 在生物医学和材料科学等领域具有广阔的应用前景.     

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.     

基于单幅散斑的X射线强度关联缺陷检测方法

采用预置散斑的X射线强度关联成像系统需要采集大量的散斑场,成像时间较长,而单幅散斑场信噪比低,难以单独用于图像重构。然而单幅散斑场中的空间分布信息包含一定的样品结构信息,可以用于样品缺陷快速检测。基于此,提出一种基于单幅预置散斑的缺陷检测方法,该方法将待检测样品探测散斑场与标准样品模拟散斑场的相关性作为样品缺陷的评价标准。同时基于该方法模拟X射线强度涨落二阶自关联检测光路,分析不同信噪比下探测散斑场分布的图像对比度对相关系数的影响。并对比多种细节增强方法,提高检测可靠性。最终结果表明,基于单幅散斑场的方法可以有效地进行样品的快速缺陷检测。     

光学相干层析图像层状结构的增强与定量测量

光学相干层析(OCT)成像技术对于眼底等层状组织的定量测量有赖于光学相干层析图像中层状结构的提取。为了对原始光学相干层析图像进行预处理以有效地去除图像中的噪声及散斑、增强图中的层状结构,并更好地保护图像中的层状结构,进而更准确地定量测量图像中有重要意义的层状结构的光程信息,提出在相干增强各向异性扩散(CED)算法中引入二阶导数项以控制沿相干方向的扩散强度,并将引入二阶导数项的相干增强各向异性扩散算法应用于不同样品的光学相干层析图像。结合在预处理后图像中层状结构位置的查找结果与样品的折射率信息,实现了对光学相干层析图像中有重要意义的层状结构厚度的定量测量。实验结果表明,使用引入二阶导数项的相干增强各向异性扩散算法对光学相干层析图像预处理有利于对图中重要层状结构的更准确测量。     

双光子阵列点激发同时多维荧光信息的处理

五维同时荧光信息显微成像方法是一种新的荧光信息获取技术，它采用了双光子阵列点激发方式.这一方法可同时获取激发阵列点每点荧光的位置信息、荧光光谱信息和荧光寿命信息，弥补了现有荧光检测技术的不同功能信息不具有同时性的缺陷.给出了从这种技术的复合信息中提取复合光谱几何强度结构图像、不同光谱几何强度结构图像、不同光谱寿命图像的方法.提出了一种激发荧光强度修正系数矩阵方法，消除阵列点激发光强不均匀对激发荧光强弱产生的不利影响，取得明显效果.实验对实际样品做了数据采集和处理，给出图像结果，表明处理的效果良好.对存在的问题也作了讨论. 关键词： 荧光信息处理 双光子 荧光光谱 荧光寿命     

双色荧光辐射差分超分辨显微系统研究

为了拓展荧光辐射差分(Fluorescence Emission Difference,FED)显微术的应用,使得该方法可以同时对生物样品的不同组织结构进行超分辨成像,本文对双色FED显微系统展开了研究。FED的基本原理是将实心光斑扫描得到的共焦显微图像减去空心光斑扫描得到的负共焦图像,以此获得超分辨显微图像。在对单色FED显微系统进行研究后,本文提出了一种可行的双色FED显微成像系统方案。实验结果表明,在488 nm和640 nm激发光下,该系统在荧光颗粒上分别实现了135 nm和160 nm的空间分辨率,另外也能对生物样品的不同组织进行多色同时超分辨显微成像,满足了实际应用的要求。     

随机散斑投影粗粒反光表面图像采集方法

针对粗粒反光表面在一般光源照明条件下产生的局部反光问题,提出一种基于随机散斑投影的图像采集方法.以主动投影照明的方式在工件表面形成系列随机散斑图案,利用组图冗余信息抑制反光,生成光强均匀且高信噪比的融合图像.给出了随机散斑图畸变矫正方法,实现高效的密度均匀散斑投影.实验结果表明,所提方法很好地抑制了工件表面局部反光问题...     

基于多角度无透镜傅里叶变换数字全息的散斑噪声抑制成像研究

在数字全息成像中,散斑噪声严重影响了再现像的信噪比和成像分辨率,因此为了提高数字全息成像质量,迫切需要抑制再现像的散斑噪声.分析并给出了矩形散射光斑的强度协方差,定量计算了特定实验条件下产生退相关散斑图样的最小角度差.结合透镜的性质设计并搭建了多角度无透镜傅里叶变换数字全息成像系统,利用光纤端面在透镜焦平面的二维机械移动代替传统反射镜的旋转,使照明光束在不改变照明位置和大小的同时,可任意改变光束方向.移动光纤端面使多角度照明满足最小角度差,获取了81幅数字全息图.利用单次快速傅里叶逆变换实现数值再现,对多幅再现像的强度像求平均,实验结果表明散斑对比度降低为单幅再现像的14.6%,使图像信噪比提高了6.9倍.该抑制散斑的多角度数字全息成像方法有效的抑制了散斑噪声,且成像光路结构简单,可操作性强.     

Wide-field fluorescence sectioning with hybrid speckle and uniform-illumination microscopy

We describe a method of obtaining optical sectioning with a standard wide-field fluorescence microscope. The method involves acquiring two images, one with nonuniform illumination (in our case, speckle) and another with uniform illumination (in our case, randomized speckle). An evaluation of the local contrast in the speckle-illumination image provides an optically sectioned image with low resolution. This is complemented with high-resolution information obtained from the uniform-illumination image. A fusion of both images leads to a full resolution image that is optically sectioned across all spatial frequencies. This hybrid illumination method is fast, robust, and generalizable to a variety of illumination and imaging configurations.     

Image formation in structured illumination wide-field fluorescence microscopy

We present a theoretical analysis of the image formation in structured illumination wide-field fluorescence microscopy (SIWFFM). We show that the optically sectioned images obtained with this approach possess the optical sectioning strengths comparable to those obtained with the confocal microscope. We further show that the transfer function behaviour is directly comparable to that of the true confocal instrument. The theoretical considerations are compared with and confirmed by experimental results.     

A miniature laser speckle fluorescence sectioning microscope for cell imaging

We present a miniature fluorescence sectioning microscope which uses a diode-pumped solid-state （DPSS） laser as the light source and a fast translating diffuser to produce dynamically changing speckle patterns onto the back aperture of the objective to illuminate the sample. Optical sectioning, which originates from the statistical characteristics of laser speckles, is obtained by calculating the contrast of a series of fluorescence images. High contrast fluorescence sectioning images of bovine pulmonary artery endothelial （BPAE） cells are obtained. The image quality is similar to that of the images acquired by standard laser scanning confocal microscope （LSCM）. Compared with LSCM, the laser speckle fluorescence microscope （LSFM） presented in this letter has many advantages, such as simple configurations, low cost, compact, and easy to operate, which makes it possible to have wide spread applications in biomedicine.     

Edge-preserving restoration in 2-D fluorescence microscopy

Procedures for software image restoration can be useful for studying biological events. This is especially true in the case of low light-intensity fluorescence images, obtained with both wide-field and confocal microscopy. This review describes most of the algorithms for image restoration, with particular emphasis on edge-preserving procedures, and shows the results of their application to synthetic and fluorescence 2-D images.     

Optical sectioning using single‐plane‐illumination Raman imaging

Confocal Raman imaging is widely used for optical sectioning of materials. However, for biological applications it often suffers from poor axial resolution, photodamage to the sample of interest, substrate interference, and long acquisition times. We have applied the principles of light sheet microscopy to Raman imaging and show for the first time that optically sectioned Raman images can be obtained in significantly lower acquisition times. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Optical sectioning in wide-field microscopy obtained by dynamic structured light illumination and detection based on a smart pixel detector array

Optical sectioning in wide-field microscopy is achieved by illumination of the object with a continuously moving single-spatial-frequency pattern and detecting the image with a smart pixel detector array. This detector performs an on-chip electronic signal processing that extracts the optically sectioned image. The optically sectioned image is directly observed in real time without any additional postprocessing.     

Quasi-confocal fluorescence sectioning with dynamic speckle illumination

We present a simple modification to a conventional wide-field fluorescence microscope that provides depth discrimination in thick tissues. The technique consists of illuminating a sample with a sequence of independent speckle patterns and displaying the rms of the resultant sequence of fluorescence images. The advantage of speckle illumination is that it provides diffraction-limited illumination granularity that is highly contrasted even in scattering media. We demonstrate quasi-confocal imaging in a mouse olfactory bulb labeled with green fluorescent protein.