双光子和多光子共焦显微镜的成像理论

对双光子和多光子共焦扫描显微镜的成像理论作了系统的理论分析,导出了双光子和多光子共焦显微镜成像系统的三维点扩散函数和三维光学传递函数,研究结果表明：双光子共焦显微镜比单光子共焦显微镜具有更高的横向分辨率和纵向分辨率,而多光子共焦扫描显微镜又比双光子共焦扫描显微镜具有更高的空间分辨率. 关键词：     

D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统

共焦布里渊光谱技术因其具有非接触、无损伤、高空间分辨等优点,在生物医学、物理化学以及材料科学中被广泛应用。由于布里渊散射频移较低、强度较弱,在弹性散射光没有被充分抑制的情况下,布里渊散射光容易受到弹性散射光的影响,导致光谱测量结果精度的下降,而且传统共焦布里渊光谱系统仍存在光谱轴向分辨力与层析能力不足等缺点,严重限制了共焦布里渊光谱探测系统在高散射样品以及长工作距离光谱探测领域中的应用。为改善共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力、光谱轴向分辨力以及层析能力,构建了一种D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统。该系统通过侧向照明与侧向收集的方式消除背向散射,降低弹性散射强度,有效抑制弹性散射对布里渊散射的干扰,进而提高共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力。通过D形光瞳对照明点扩散函数与收集点扩散函数进行调制,利用斜入射的方式使照明点扩散函数与收集点扩散函数仅在焦平面上发生重叠,在轴向上实现三维点扩散函数的压缩,有效去除离焦光谱信息对焦面光谱信息的干扰,降低轴向光谱强度响应曲线的半高全宽与全高全宽,进而达到提高共焦布里渊光谱探测系统的光谱轴向分辨力以及层析能力的效果。实验表明:相比于共焦布里渊光谱探测系统, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力与层析能力得到大幅提升,通过优化光瞳参数,其光谱轴向分辨力可以提高30%以上,进而可以有效解决多层样品中的光谱串扰问题。D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统作为一种具有高层析能力、抗弹性散射能力强的布里渊光谱探测系统,为布里渊光谱技术在现代前沿基础学科领域中的进一步应用提供了有力保证。     

一种全场三维共焦检测的新方法

提出了一种利用微光学阵更合成器件实现全场三维面形并行检测、记录的共焦方法。此方法的关键是，在共焦系统中引入一一微光学耻列合成器件来产生一点光源阵列，实现了对同一一剖面同时并行检测，并首次采用了ＣＣＤ面阵像元取代上孔光阑直接截取三维信息光强。本文讨论了该方法的三信息检测原理，响应关系，给出了初步的实验结果和三维重构图。     

并行共焦显微探测高精度表面坐标信息获取方法

并行共焦显微术能够同时测量多个被测点,大大提高了测量效率,但同时也引入了较大的轴外点像差.已有的数据处理手段不能消除轴外光斑的横向偏移.针对其缺陷,提出了中心扩散法和光强重组法来获取被测光斑的光强位移曲线.实验结果表明,中心扩散法和光强重组法基本消除了轴外点光斑10 μm左右的横向偏移;与现有方法比较,这两种方法还将系统的测量稳定性分别提高了2倍和5倍,满足了并行共焦显微系统高精度快速测量的要求.     

并行共焦测量中的并行光源技术综述

并行共焦测量技术的核心是将单点共焦测量变成多点同时扫描测量,从而使共焦测量速度显著提高。本文介绍了共焦测量技术原理,综述了用于并行共焦的并行光源技术,分析了这些方法的优点和不足。结合作者近年来的研究成果,重点阐述了基于微透镜阵列和数字微镜器件(DMD)产生并行光源的新方法。分析和研究了DMD的空间光调制机理,最终建立了一种单光源双光路并行像散共焦测量系统。     

荧光共焦扫描系统成像特性的优化

对荧光共焦扫描系统用光强点扩散函数进行傅里变换得到系统三维传递函数的数学模型，并由此求得环形透镜和各种有限大小探测器系统的光学传递函数。用计算机模拟和光学传递九数值计算，分析了采用不同环形透镜及探测器对系统成像特性的影响     

基于哈特曼-夏克波前传感器的模糊图像复原方法

离焦模糊图像的清晰度较低,因此必须对其进行复原。传统方法通常采用圆盘或高斯函数来近似离焦造成的点扩散函数,复原效果不够理想。为此,提出利用哈特曼-夏克波前传感器探测离焦波前,根据所得波前计算光学系统的点扩散函数,并采用Richardson-Lucy算法对模糊图像进行复原。搭建了实验用的光学系统,采集了离焦模糊图像以及相应的波前信息,获得了清晰的复原图像,并利用客观图像评价方法对退化图像和复原图像进行了评价,同时与传统方法得到的复原图像进行了比较。实验结果表明,该方法能精确重建点扩散函数,有效提高图像的质量。     

扫描显微系统中各组元对成像的影响

利用光强点扩散函数讨论扫描显微探测系统中各组无形状对成像的影响。由光源和探测器的讨论得出共焦成像术具有最高横向分辨率的结论，阐明共焦系统中透镜（环瞳和方瞳）对成像的影响，并与圆瞳进行比较，得到最佳系统匹配方法。     

轴锥镜成像系统的点扩散函数分析

为了使大景深光学镜头在工业视觉检测中的测量结果更准确,必须对中间图像进行复原,点扩散函数是图像复原的关键。根据轴锥镜最大无衍射距离公式设计了无衍射成像系统,以标量衍射理论为基础,在频域范围内利用稳定相法推导出系统的点扩散函数公式。利用准单色光理论,分析非相干光照明下的点扩散函数与锥镜夹角和离焦量的关系。仿真和实验结果表明:轴锥镜夹角越大,点扩散函数中心光强越强,衍射条纹越密;离焦像差对点扩散函数的影响与之相反。     

点扩散函数选取对波前编码图像复原影响的实验研究北大核心CSCD

波前编码系统由于其离焦不敏感和像差抑制特性被广泛应用于光学系统中来延拓景深。景深的拓展是以牺牲图像像质为代价,通过数字复原方法获得正常水平的图像质量。通过对比分析两种复原方式,一种是焦点处的点扩散函数复原全部离焦位置的模糊图像,另一种是点扩散函数分别复原对应离焦位置的模糊图像,通过仿真模拟和显微实验成像对比分析得知点扩散函数复原对应离焦位置的模糊图像的复原方式可以有效削减振铃效应。该复原方式可以减弱图像二次模糊,复原结果更适合人眼观察。     

荧光波长对共焦显微镜成像特性的影响

导出了共焦显微镜中不同荧光波长情况下的荧光功率传输函数、三维脉冲响应函数（3D－PSF）和三维光学传递函数（3D－OTF）。结果表明，不同的荧光波长对共焦显微镜的空间截止频率、分辨率、光学传递函数存在明显的影响。当激发波长与荧光波长的比值下降到一定程度时，可以看到明显的失锥现象。     

Application of Three Dimensional Confocal Micro X-Ray Fluorescence Technology Based on Polycapillary X-Ray Lens in Analysis of Rock and Mineral SamplesSCIEI北大核心CSCD

Confocal three dimensional (3D) micro X-ray fluorescence (XRF) spectrometer based on a polycapillary focusing X-ray lens (PFXRL) in the excitation channel and a polycapillary parallel X-ray lens (PPXRL) in the detection channel was developed. The PFXRL and PPXRL were placed in a confocal configuration. This was helpful in improving the signal-to-noise ratio of the XRF spectra, and accordingly lowered the detection limitation of the XRF technology. The confocal configuration ensured that only the XRF signal from the confocal micro-volume overlapped by the output focal spot of the PFXRL and the input focal spot of the PPXRL could be detected by the detector. Therefore, the point-to-point information of XRF for samples could be obtained non-destructively by moving the sample located at the confocal position. The magnitude of the gain in power density of the PFXRL was 10(3). This let the low power conventional X-ray source be used in this confocal XRF, and, accordingly, decreased the requirement of high power X-ray source for the confocal XRF based on polycapillary X-ray optics. In this paper, we used the confocal 3D micro X-ray fluorescence spectrometer to non-destructively analyzed mineral samples and to carry out a 3D point-to-point elemental mapping scanning, which demonstrated the capabilities of confocal 3D micro XRF technology for non-destructive analysis elements composition and distribution for mineral samples. For one mineral sample, the experimental results showed that the area with high density of element of iron had high density of copper. To some extent, this reflected the growth mechanisms of the mineral sample. The confocal 3D micro XRF technology has potential applications in such fields like the analysis identification of ore, jade, lithoid utensils, "gamble stone" and lithoid flooring.     

毛细管X光透镜三维共聚焦微束X射线荧光技术在岩矿样品分析中的应用

利用毛细管X光透镜搭建了三维共聚焦微束X射线荧光谱仪,处在激发道的多毛细管X射线会聚透镜和处在探测道的多毛细管X射线平行束透镜处于共聚焦状态,该共聚焦结构降低了X射线荧光光谱的背底,从而有利于降低的X射线荧光分析技术的探测极限。在上述共聚焦结构中,多毛细管X射线会聚透镜和多毛细管X射线平行束透镜的焦斑重合形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元内的X射线荧光信号,当该共聚焦微元在样品移动时,就可利用该共聚焦技术原位无损得到样品内部的三维X射线荧光信息。该共聚焦技术使用的多毛细管X射线会聚透镜具有103量级的功率放大倍数,从而降低了该共聚焦技术对高功率X射线源的依赖程度,即利用低功率普通X射线源就可以设计毛细管X光透镜共聚焦X射线荧光技术。利用上述共聚焦微束X射线荧光谱仪对两种岩矿样品进行三维无损分析,在其中一种岩石中发现：Fe浓度大的区域Cu的浓度也大,这在一定程度上反映了岩矿自然生长的机理。实验结果证明：该共聚焦X射线荧光技术可以在不破坏样品情况下分析岩矿样品中元素成分组成和元素三维分布情况。该共聚焦三维微束X射线荧光技术在矿石勘察、玉器选材和鉴别、石质食用器皿、“赌石”和家用石质地板检测等领域具有潜在的应用。     

基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法

拉曼光谱技术因其光谱信息丰富、非接触、无破坏、样品用量少、高灵敏度等特点,为现代前沿基础科研领域提供一种有力的分析手段,成为分析科学的研究热点。激光共焦拉曼技术结合共焦显微探测和拉曼光谱探测技术,具有空间分辨力高、可层析探测的优势,在物理化学、材料科学、生物医学、考古及文物鉴定、刑侦科学等众多领域应用广泛。现有共焦拉曼系统由于在扫描过程中无法对探测点进行定焦,因而在长时间的探测过程中会因环境变化、系统漂移等问题导致系统离焦,从而造成测量结果存在误差甚至错误的问题。本文针对这一问题,在现有共焦拉曼系统的基础上,提出一种基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法。该方法利用二次曲线对光谱共焦曲线进行拟合,通过寻找曲线最大值,得到系统焦点,进而在扫描过程中对每个探测点进行焦点定位后,采集该点光谱信息,从而保证扫描过程中系统始终位于焦点位置,消除系统离焦对实验结果的影响,实现共焦拉曼光谱系统的精确测量。通过仿真分析和实验结果表明：本文提出的基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法可以有效消除系统离焦对实验结果造成的影响,提高系统轴向定焦的准确度,为共焦拉曼光谱技术的进一步应用提供了保证,是一种行之有效的定焦准确、抗漂移强的拉曼光谱测量方法。     

放疗3D剂量验证系统中光场相机点扩散函数获取

基于闪烁光场成像的放疗新型3D剂量测量中,需利用点扩散函数将每一个二维平面的真实闪烁光数据从重叠图像中提取出来.利用刀口法,结合光场数字重聚焦以及聚焦测距法,实验获取光场相机不同重聚焦位置处的点扩散函数,并给出棋盘格标定板在参数α=0.6时的重聚焦面聚焦在α=0.7位置处的高斯离焦点扩散函数表达式,研究光场相机点扩散函...     

Sidelobe decline in single-photon 4Pi microscopy by Toraldo rings

We demonstrate theoretically the feasibility of single-photon 4Pi-confocal microscopy. By inserting a pair of properly designed multi-ring phase-only pupil filters in the illumination path of a 4Pi microscope the height of the sidelobes of the point spread function substantially reduced, so that there is no ambiguity in the 3D image. Then, an axial resolution up to four times higher than that of single-photon confocal microscope can be effectively achieved.     

Cross-talk reduction in confocal images of dual fluorescence labelled cell spheroids.

Dual fluorescence labelling is an advanced method to separate two individual specimens in a biological system using confocal microscopy. An inherent problem of this method is fluorescence channel cross-talk, which causes problems for the exact spatial determination and separation of the specimens. Using a parallel fluorescence detection and an image processing technique, based on an image subtraction method, we have developed a very straight forward method for correcting the dual channel fluorescence images. We successfully applied this method to a 3-dimensional cancer spheroid invasion assay and controlled the cross-talk compensation efficiency by a quality parameter.     

基于共焦原理的反射式自聚焦光纤传感技术研究

基于共焦显微成象原理,提出了一种由自聚焦透镜和X型光纤组成的高精度反射式自聚焦光纤传感器.该传感器具有绝对位置跟踪的特殊能力,并有体积小、抗干扰性强、轴向分辨率高等特点.由实验分析得,其轴向分辨率可达30nm.可用于表面微观形貌、外形尺寸、曲面轮廓等测量领域.