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.     

利用共焦扫描显微术和变迹术相结合实现光学超分辨

运用适当形式匠光瞳滤波器民成像系统点振响应的分布，歙 具心于冲击函数的形式，这样就有可能实现光学超分辨，但变迹术的运用往往会因其强烈的旁瓣效应而导致成像系统对比度的急剧下降。本文提出的共焦型超分辨方案则能有效地抑制上述旁瓣。此外，本文学进一瞠提出了实现三维光学超分辨手理论框轲。     

基于光程调制的多差动共聚焦显微技术研究

为解决传统共焦显微系统的分辨力与线性量程不能兼顾的问题,提出了基于变光程技术的多差动共焦显微技术,利用光程的调制在单探测光路中实现轴向响应曲线相对于焦平面的对称相移的方式,仅需要调整单一参数就可获得不同离焦量的响应曲线,实现具有绝对零点、线性度好的多差动光路系统,从而实现在同一系统中对高分辨力与大量程的兼容。该技术减少了元器件性能差异和人为装调误差,结构简单,提高了可靠性。实验表明：系统可兼顾分辨力与线性量程,轴向分辨力可达6.46 nm。为微细结构的测量提供了一种精度高、结构简单、应用场合广泛的技术。     

线结构光共焦显微成像技术的实验研究

激光共焦扫描显微镜大多采用点共焦扫描成像形式,扫描机构复杂,成本高。新型的线结构光共焦显微成像技术是对样品进行线共焦成像,只需对样品进行一维扫描就可以得到整个平面的像。设计了线结构光共焦成像实验装置,进行了线结构光共焦显微成像实验。实验结果证明了线结构光共焦成像的可行性,杂散光明显地减少,提高了成像清晰度,并且有光学层析能力。采用低照度高分辨率CCD代替价格昂贵的像增强器大大降低了系统成本。     

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     

激光共聚焦近红外荧光扫描系统光学设计

为了实现对近红外荧光的高分辨率扫描,设计了工作在近红外光谱区的激光共聚焦光学系统。采用结构简单的凹凸双透镜物镜实现了照明光路和发射光路的设计,并采用Zemax软件进行了光学设计和仿真。实验表明:照明光路的聚焦弥散斑小于1 m,照明针孔处的聚焦光斑小于40 m,满足照明针孔的尺寸要求;发射针孔处的聚焦光斑小于10 m,满足探测针孔尺寸要求;同时照明光路和发射光路的MTF曲线的截止频率都分别满足其衍射极限分辨率的要求,照明光路在全视场空间分辨率420 lp/mm处MTF0.08,发射光路在全视场空间频率400 lp/mm处MTF0.07。     

长红外双波长共聚焦超透镜设计研究

本文提出并设计了一种由简单微元结构组成的超透镜,可同时实现长红外双波长共聚焦功能.基于广义斯涅耳定律和传输相位调制机理,通过建立科学评价函数选取最优的微元结构排列组成超透镜.设计结果表明,该超透镜实现了波长为10.6和9.3μm的双波长共聚焦,且具有较高聚焦效率、聚焦光斑接近于衍射极限,并定量分析了超透镜微元结构参数冗余度,得到其对聚焦效率的影响趋势.本文设计的超透镜有望满足长红外光学共聚焦系统集成化、微型化的需求,在激光外科手术、工业切割焊接等领域有着重要的应用价值.     

单模光纤共焦扫描显微系统研究

本文探讨一种使用单模光纤同时作为点源与点探测器的激光共焦扫描显微系统。该系统具有与传统共焦扫描相同的功能，但更容易操作，结构更简单，系统更稳定，文中给出系统的原理设计方案，并对其光学特性进行分析。     

差动共焦显微成像高稳定三维扫描技术与系统

激光差动共焦显微镜具备高空间分辨率特点,但因其逐点扫描成像方式,扫描时间长,易受三维扫描系统不稳定和环境干扰等影响,产生系统漂移,影响仪器的空间分辨率。利用楔块机构高稳定特点,结合刹车机构的自由抱闸特性,设计了一种新型的轴向升降机构,由此构建了结构更具稳定特性的电动三维扫描系统。稳定性实验验证在搭建的激光差动共焦显微镜上进行,经过监测系统在90min内的轴向位置,轴向漂移小于50nm,与原三维扫描系统漂移140nm对比,漂移速度明显减慢,稳定性有显著提升,进而明显改善了差动共焦显微成像效果。     

图像复原式整形环形光横向超分辨共焦显微测量新方法

提出一种新的图像复原式整形环形光横向超分辨共焦显微测量法. 该方法首先利用二元光学器件，将高斯照明光束整形为环形光束，用于初步改善共焦显微镜的横向分辨力，然后利用基于最大似然估计法(maximum likelihood estimate, MLE)的单幅图像超分辨复原技术，重建测量图像的高频信息，来进一步改善共焦显微镜的横向分辨力. 实验表明,当λ=632.8nm，N.A. =0.85时，该方法能使共焦显微镜获得优于0.1μm的横向分辨力. 利用该方法建立的横向超分辨共焦显微系统除了具有显著的超分辨效果外 关键词： 超分辨 超分辨复原 最大似然估计 共焦成像     

A study on spatial coherence using quadratic radially distributed apertures (application to confocal imaging)

We study the spatial coherence problem using an amplitude modulation applied to confocal imaging systems. This type of modulation assumes a quadratic radial distribution. The mutual coherence intensity or the coherence factor is calculated and compared with the results obtained for clear circular apertures.     

基于CCD虚拟针孔探测的双轴共焦显微技术

双轴共焦显微技术具有独特的非共轴结构,与传统单轴共焦显微技术相比可利用较低数值孔径物镜实现较高的轴向分辨力,且具有工作距离大、信噪比高等优势。对基于CCD虚拟针孔(VPH)探测的双轴共焦显微成像系统的空间分辨特性进行了理论分析,并构建了相应的实验系统,对其轴向响应进行了实验验证。实验中照明物镜NAi=0.117,采集物镜NAc=0.106,θ=45°,得出系统轴向半高宽(FWHM)为2.63μm,比同等参数(NA=0.117)下单轴共焦显微系统的轴向FWHM高出约20倍。     

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 $\varepsilon =0.5$.     

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.     

基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪

试制了一台基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪原理样机。样机将迈克耳逊干涉仪光路中的一面反射镜偏转一个小角度,使经两平面镜反射后的两束光波面之间产生一维连续的光程差,在图像传感器的像面上形成空间调制干涉条纹,构成空间调制型干涉成像光谱仪。一系列原理验证性实验表明:光谱仪原理正确可行,实验结果与理论相符,并且具有高通量,高信噪比,大视场和体积小,重量轻的优点。     

结构光照明显微中的偏振控制

结构光照明显微(structured illumination microscopy.SIM)作为一种宽场超分辨光学显微成像技术,具有成像速度快、光漂白和光毒性弱等优点,是目前主流超分辨成像方法之一.在SIM技术中,正弦强度分布的条纹结构光场的对比度决定了SIM超分辨图像的质量.低的条纹对比度将导致样品中超衍射极限的高频信息被噪声掩盖,从而无法解析出超分辨信息.结构照明入射光的偏振态调控决定了干涉条纹的对比度,是SIM的关键技术.鉴于此,本文总结对比了几种典型的SIM系统偏振控制方法,同时提出了一种使用零级涡旋半波片的偏振控制方法.实验证明,与其他方法相比,采用零级涡旋半波片法可以获得更高效的偏振控制效果,具有系统结构简单、易使用、可将光能利用率提升到接近100%的优点.     

Study on compressed sensing imaging based on intensity modulation in Fourier domain

In 4F system, compressed sensing is usually implemented by using phase modulation in Fourier domain. In this paper, we present a type of 4F system based on intensity modulation in Fourier domain as the measurement system for compressed sensing. The feasibility of this system is demonstrated. At the point of coherence, the two modulation methods are compared and superiority of intensity modulation in Fourier domain was verified. Simulations are presented and the conclusion we presented is validated. Finally, we analyze the results.     

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...     

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

基于共焦腔的激光器纵模测量实验装置

根据谐振腔的理论,利用共焦腔扫描干涉仪,制作了激光器纵模测量装置,使用该装置可以演示和简单测量He-Ne激光器的纵模.