基于最大似然法的共焦拉曼光谱成像方法

随着现代科技对纳米微观区域兴趣的增加,如DNA测序、分子纳米器件微结构检测等,其对拉曼光谱技术的空间分辨力提出了更高的要求,而现有共焦拉曼光谱技术受自身原理限制,空间分辨力已无法满足科学需求。针对这一问题,在现有共焦拉曼光谱技术的基础上,提出一种基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法。该方法将超分辨图像复原技术与共焦拉曼光谱技术相结合,利用基于Poisson-Markov约束的最大似然超分辨复原算法对共焦拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,恢复图像高频成分,进而改善共焦拉曼光谱系统的空间分辨能力,实现超分辨成像。仿真分析和实验结果表明,提出的基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法在不改变现有共焦拉曼光谱系统光学结构的前提下,仅对单幅拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,即可将系统空间分辨力提高到200 nm,实现超分辨成像,同时该方法具有较强的噪声抑制能力。该方法有效地提高了共焦拉曼光谱系统的空间分辨力,为物理化学、材料科学等前沿领域中的高空间分辨微区光谱探测提供了一种新的途径,是一种行之有效的高空间分辨的共焦拉曼光谱成像方法。     

具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法

提出一种新的具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量方法。该方法通过整形环形光式共焦测量法和锐化爱里斑主瓣，改善系统横向分辨力；通过差动共焦测量法改善系统的轴向分辨力，最终达到提高系统空间分辨能力的目的。理论分析和实验表明：整形环形光内孔归一化半径ε越大，横向分辨力改善越明显，量程扩展范围越宽；当入射光波长λ=632.8nm，物镜数值孔径取NA=0.85，ε=0.5时，该系统的横向分辨力优于0.2μm，轴向分辨力优于2nm。该方法为光触针测量系统空间分辨力的提高提供了1种新的方法，可广泛应用于超精密三维微细结构工件的超精密测量。     

离焦模糊图像超分辨力盲复原算法分析

根据计算机模拟和实际拍摄的离焦模糊标准分辨力靶标图像,对提出的离焦模糊图像超分辨力盲复原算法进行了分析研究,对比了超分辨力盲复原算法与几种典型复原算法的效果,以及在不同离焦模糊半径下该算法的复原效果。实验结果表明,该算法对深度离焦模糊图像具有较明显的复原效果,复原图像相比较于模糊图像分辨力提高1倍;显著改善了标准分辨力靶标图像的可分辨组块。可分辨组块可以定量地描述复原算法对图像分辨力的改善程度。该算法已经应用到实际工作当中,并获得了较好的效果。     

Axicons用于光学超分辨

提出了用圆锥棱镜构建光束整形器.该器件能将圆形光束转换成环形光束,由它所产生的环形光束的直径是可调的,即系统超分辨效应具有可调节性.给出了理论分析和数值模拟,模拟结果表明此器件可以实现光学超分辨,改变几何参数可以调节超分辨效应.     

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。     

超分辨在共焦三维形貌检测术中的应用

通过对共焦三维形貌检测术的分析,根据超分辨理论,在共焦系统中加入环形光瞳滤波器,以期延长系统的动态检测范围,并提高系统的横向分辨率。理论和实验结果表明该方法在适当牺牲轴向分辨率的条件下,能有效地延长系统的动态检测范围,且提高其横向分辨率。     

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.     

基于亚像素扫描的超分辨技术在高分辨X射线显微镜中的应用

在不改变现有硬件条件的情况下,开展超分辨扫描重建方法,可以在不增加系统成本的基础上提高高分辨X射线显微镜的成像性能.设计了基于亚像素扫描的超分辨扫描模式,按照设计的调制方式进行亚像素位移的移动,采集多幅具有互补信息的低分辨率图像;然后基于系统的点扩散函数,对高分辨率图像进行复原;最后结合POCS超分辨重建算法重建出高分辨图像.实验结果表明,10倍光耦探测器下的衬度噪声比提高了20%左右,空间分辨力提高了0.2μm(约15%),细节分辨能力超过探测器像素尺寸1.35μm的限制,可以看到在低分辨率图像中看不到的细节.实验说明用超分辨技术提高高分辨X射线显微镜的分辨率是有意义的.     

基于微分图像自相关的离焦模糊图像盲复原

针对离焦模糊图像的盲复原算法的研究具有重要的实际意义和实用价值.根据光学离焦成像模型,研究提出了一种基于微分图像自相关的离焦模糊图像超分辨力盲复原算法,即首先采用拉普拉斯算子对离焦模糊图像进行二阶微分并求微分图像的自相关,然后从自相关结果所包含的信息中确定离焦模糊半径,最后以离焦模糊模型结合MPMAP超分辨力复原算法对离焦模糊图像进行肓复原.实验证明:算法能够以较高的精度估计出离焦模糊半径并实现离焦模糊图像的盲复原,该算法较其它同类算法在减少计算过程中需要考虑的各类因素的同时也减少了计算量,提高了结果精度,依靠超分辨力复原算法获取更多的复原图像信息,已在实际刑侦和物证鉴定的离焦模糊图像判读和鉴定中获得成功应用.     

线扫描虚拟结构调制共聚焦显微成像

共聚焦显微镜的分辨率受光学衍射极限限制。已经证明结构调制在共聚焦显微镜中可以实现超分辨成像,但是由于图像采集速度有限,导致该方法的实际应用具有局限性。为了提高系统的成像速度,本文介绍了一种将线扫描应用到结构调制共焦显微镜的方法。利用柱面透镜产生线照明,余弦数字掩模用于探测端的解扫描线斑图像调制,与虚拟结构探测方法不同之处在于无需后续的移频过程。为了提高各项同性分辨率,采用样本转动的方式实现0°、90°两角度扫描。仿真和实验结果表明,相干传递函数频谱宽度增大,成像分辨率达到传统共聚焦显微镜的1.4倍。与采集单点图像的结构调制共焦显微镜相比,图像采集速度提高了104倍。     

基于点扫描的超分辨显微成像进展

光学显微镜一直推动着现代科学技术的发展.随着科学的进步,对显微成像分辨率的要求在生物、材料等领域日渐凸显,而常规宽场显微成像一直面临着成像分辨率衍射受限的问题.1968年出现的共聚焦显微镜作为点扫描显微镜的开端第一次实现了远场下成像分辨率的突破,它具有层切性好、信噪比高等优点.在1994年出现的受激辐射荧光损耗显微镜将显微成像能力突破到2.8 nm左右,并成为目前效果最佳、应用较广泛的超分辨显微技术.荧光差分显微和饱和荧光吸收竞争等点扫描技术具有无荧光染剂限制、饱和光强低、光路简单等优势,并且能取得1/6波长的分辨能力,进而在超分辨显微领域仍有着发挥空间.Airyscan技术作为以上方法的补充可以弥补点扫描系统中由于探测小孔半径减小而带来的信号丢失,从而提高成像信噪比和分辨率,但阵列探测器成本较高.上述点扫描显微镜通过改变照明或者探测的方式实现了分辨率突破.本文详细讨论了点扫描超分辨方法的原理、成像效果及面临的瓶颈,并分析了点扫描超分辨显微镜在应用和技术上的趋势.     

位相型光瞳滤波器对共焦系统离焦工作状态横向分辨特性的影响

分析了共焦显微系统(CMS)离焦状态工作时分辨特性的变化,指出了离焦状态是导致CMS横向分辨特性变差的主要影响因素之一。提出并采用了位相型超分辨光瞳滤波技术来改善CMS工作在离焦状态下的横向分辨特性,分析了超分辨光瞳滤波器位置变化对CMS横向分辨特性的影响。理论分析和实验验证表明,位相型超分辨光瞳滤波技术的引入,显著抑制了CMS工作在离焦状态时艾里斑旁瓣的增长,克服了CMS因工作在离焦状态而引起的横向分辨特性下降的缺点。     

An approach to achieve lateral superresolution for small probe confocal measurement system and its element

A shaped annular beam superresolution approach is proposed to improve a lateral resolution of a small probe laser confocal measurement system (LCMS). The approach proposed enables lateral superresolution measurement of LCMS to be achieved by using a binary optical diffractive element to shape a He–Ne Gaussian laser beam into an annular beam with an inner diameter of 0.87 mm and an outer diameter of 1.8 mm required for superresolution measurement, and shift the beam spatial frequency from low to high. And a binary optical element (BOE) with 16 phase levels is designed and fabricated to shape a Gaussian laser beam into an annular beam. Preliminary experimental results indicate that an intensity distribution of a shaped annular beam is in agreement with simulation results, the diffractive efficiency is 87.2%; LCMS lateral and axial resolutions of 0.2 μm and 3 nm are achieved, respectively, and its measurement range is expanded nearly to double, when BOE is used in LCMS and , NA=0.85.     

一种基于改进频域图像配准技术的超分辨力图像处理方法

为提高光电成像系统的空间分辨力,提出了一种基于改进的频率域图像配准技术的超分辨力图像处理方法。首先利用改进的频域图像配准方法估算出低分辨力图像之间的微位移量,然后采用Papoulis-Gerchberg超分辨力处理方法完成图像复原。利用不同重构方法进行了仿真及实验研究,给出了评价参数。模拟和实际显微热图像的处理结果表明:该算法可使图像质量得到改善,分辨的细节更多,可有效地提高光电成像系统的空间分辨力;处理算法简单,计算量小,可实现快速处理。该算法还可应用于其他不可控光学微扫描成像系统中,具有广泛的应用前景。     

超分辨率活体人眼视网膜共焦扫描成像系统

活体人眼共焦扫描成像系统的分辨率受到人眼像差、数值孔径和探测针孔尺度的限制,本文设计了一套超分辨活体人眼视网膜共焦扫描系统,采用自适应光学技术探测并校正人眼像差,结合光学超分辨技术提高系统分辨率,补偿有限尺度针孔对分辨率的影响,并获得活体人眼的实时、高分辨图像. 关键词： 超分辨 共焦扫描光学显微术 眼科光学 自适应光学     

Improvement of confocal microscope performance by shaped annular beam and heterodyne confocal techniques

In order to further improve the performance of a confocal microscope (CM) used for measurement of surface profiles and 3D microstructures, a shaped annular beam heterodyne confocal measurement method based on annular pupil filter technique and reflection confocal microscopy, is proposed to expand the measurement range and to improve the defocused property of CM. The approach proposed uses a confocal dual-receiving light path arrangement and a heterodyne subtraction of two signals received from detectors with axial offset to enable CM to be used for bipolar absolute measurement and to improve the defocused property of CM, and it uses the annular pupil filter technique to produce a binary optical shaped annular beam, which expands the measurement range by expanding the full-width at half-maximum of intensity curve received from two detectors in a heterodyne confocal microscopy system. Theoretical analyses and experimental results indicate that a shaped annular beam heterodyne microscope has a measurement range expanded from 4 to 14 μm, achieved an axial resolution of 2 nm and improved the defocused property, when ε=0.5 and NA=0.65. It can be therefore concluded that the shaped annular beam heterodyne confocal measuring method proposed is a new approach to ultraprecision measurement of surface profiles and 3D microstructures.     

Three-dimensional superresolution in two-color excitation fluorescence microscopy using theta illumination method

In two-color excitation fluorescence (2CE) theta microscopy, the point spread function (PSF) of the system is the product of the two PSFs of both excitation beams and due to the ellipsoidal shape of the PSFs, the axial width of the PSF of one excitation beam is strongly reduced after multiplication with the lateral section of another PSF in nonconfocal theta microscopy. Taking the advantages of this setup, we propose using two leaky filters inserted in the two illumination arms, respectively, to compress its own lateral width of each PSF; it means, the lateral and axial superresolution (three-dimensional superresolution) of the whole system in 2CE theta microscope with two orthogonal illumination beams are realized.     

A shaped annular beam tri-heterodyne confocal microscope with good anti-environmental interference capability

A shaped annular beam tri-heterodyne confocal microscope has been proposed to improve the anti-environmental interference capability and the resolution of a confocal microscope. It simultaneously detects far-, on-, and near-focus signals with given phase differences by dividing the measured light path of the confocal microscope into three sub-paths (signals). Pair-wise real-time heterodyne subtraction of the three signals is used to improve the anti-environmental interference capability, axial resolution, and linearity; and a shaped annular beam super-resolution technique is used to improve lateral resolution. Theoretical analyses and preliminary experiments indicate that an axial resolution of about 1 nm can be achieved with a shaped annular beam tri-heterodyne confocal microscope and its lateral resolution can be better than 0.2 $\mu $m for $\lambda =632.8$~nm, the numerical aperture of the lens of the microscope is NA $=0.85$, and the normalized radius $\varepsilon =0.5$.