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     

激光差动共焦拉曼光谱高分辨图谱成像技术进展

激光共焦拉曼光谱技术由于具有分子指纹及层析成像特性,成为探索微观分子世界的重要手段;但受原理限制,现有激光共焦拉曼光谱技术的分辨力及图谱成像能力逐渐桎梏了其发展。近年来,围绕激光共焦拉曼光谱技术性能改善方面,本研究团队基于发明的超分辨激光差动共焦技术,提出了激光差动共焦拉曼图谱成像系列新方法和新技术。系统地介绍所提激光差动共焦拉曼图谱系列测量方法及仪器化研究进展,并对未来发展方向进行了评述和展望。     

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。     

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。     

基于双边拟合的高稳定性共焦拉曼光谱定焦方法

共焦拉曼光谱技术可实现定量、无损、无需标记的样品微区“分子结构特征和物质组成信息”成像,被广泛应用于生物医学、物理化学以及材料科学等领域。由于共焦拉曼系统采用“点”激发和“点”探测的探测机制,且拉曼散射光谱信号微弱,导致成像所需时间可长达数小时甚至数十小时;测量过程中系统极易受环境变化、空气扰动等因素影响产生漂移,造成被测样品离焦,从而导致成像质量不稳定。针对现有共焦拉曼系统对样品定焦能力不足、样品易产生离焦误差、系统漂移大等问题,本文提出了一种基于双边拟合的高稳定性共焦拉曼光谱定焦方法。该方法首先对共焦拉曼光谱强度轴向响应曲线两侧对样品离焦敏感的数据区间分别进行线性拟合,得到两条拟合直线方程;然后,将所得的两条直线方程相减得到新的差分直线;最后,通过差分直线的过零点位置确定系统焦平面位置,实现了被测样品的高精度定焦,消除了离焦对系统测量结果的影响。以单晶硅表面同一位置,轴向扫描步距100 nm,进行60次重复定焦实验,实验获得的重复定焦极差为80.2 nm,说明系统具有良好的抗漂移能力。对周期5 μm的竖条栅格标准原子力台阶样品进行拉曼mapping成像测试,结果表明在长时间的成像过程中,和无定焦功能的图像相比,该方法获得的竖条栅格图像更清晰、边缘更锐利、信噪比较好。仿真分析和实验结果表明：提出的基于双边拟合共焦拉曼光谱探测方法可以提高系统的定焦准确度,抑制干扰因素导致的系统离焦对成像质量的影响,进而确保了系统探测的稳定性和成像分辨力,是一种自动定焦、抗漂移的拉曼光谱成像方法。     

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。     

基于成像系统物理特性的多光谱图像与全色波段图像融合

提出了一种基于成像系统物理特性的多光谱图像与全色波段图像融合算法。该算法采用àtrous小波变换提取全色波段图像的空间细节信息,并将提取的空间信息按照一定的注入模型调整后添加到各波段多光谱图像中去,得到具有高空间分辨力的多光谱图像。注入模型充分考虑了各波段成像传感器的相对光谱响应函数、地表物体对各波段的光谱反射率以及各波段的辐射调整系数等成像系统的物理特性,使融合后的多光谱图像在显著提高空间质量的同时,最大可能地保留了原始多光谱图像的光谱特性。对IKONOS卫星遥感影像的融合实验结果表明,该算法在光谱保留和空间质量提高方面较其它基于小波变换的融合算法都具有更高的性能。     

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。     

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.     

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。     

一种有效提高太赫兹时域光谱装置成像空间分辨率的方法

太赫兹波成像技术一个最显著的制约因素是其有限的空间分辨率。提出通过在样品前加小孔的方法来提高传统太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率。采用在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm小孔的方法使成像的空间分辨率从1.276 mm提高到0.774 mm,提高0.502 mm,约39％。通过这个简单的方法在传统的太赫兹时域光谱成像装置上实现了空间分辨率从毫米量级到亚毫米量级的提高。聚乙烯板上直径为1 mm的小孔被作为成像的研究对象,分别采用传统的太赫兹时域光谱装置对样品进行直接成像和在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm的小孔后对样品成像两种方式,并采用损失成像中信噪比较好的能量损失成像,对比两种方式得到的样品的太赫兹像,结果显示聚乙烯板上小孔的边界加小孔后成像比不加小孔直接成像明显清晰。证实了在样品前加小孔可以有效的提高太赫兹成像系统的空间分辨率。从理论上对通过在样品前加小孔提高系统空间分辨率的方法进行了分析,指出小孔尺寸越小,系统的空间相干长度越大,空间分辨率越高,但同时太赫兹信号的强度会相应减小。该方法可以简单有效的提高太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率,从而进一步拓展太赫兹谱成像技术的应用领域。     

Infrared super-resolution imaging based on compressed sensing

The theoretical basis of traditional infrared super-resolution imaging method is Nyquist sampling theorem. The reconstruction premise is that the relative positions of the infrared objects in the low-resolution image sequences should keep fixed and the image restoration means is the inverse operation of ill-posed issues without fixed rules. The super-resolution reconstruction ability of the infrared image, algorithm’s application area and stability of reconstruction algorithm are limited. To this end, we proposed super-resolution reconstruction method based on compressed sensing in this paper. In the method, we selected Toeplitz matrix as the measurement matrix and realized it by phase mask method. We researched complementary matching pursuit algorithm and selected it as the recovery algorithm. In order to adapt to the moving target and decrease imaging time, we take use of area infrared focal plane array to acquire multiple measurements at one time. Theoretically, the method breaks though Nyquist sampling theorem and can greatly improve the spatial resolution of the infrared image. The last image contrast and experiment data indicate that our method is effective in improving resolution of infrared images and is superior than some traditional super-resolution imaging method. The compressed sensing super-resolution method is expected to have a wide application prospect.     

Theoretical investigation on Raman induced kerr effect spectroscopy in nonlinear confocal microscopy

The imaging theory of Raman induced Kerr effect spectroscopy (RIKES) in nonlinear confocal microscopy is presented in this paper. Three-dimensional point spread function (3D-PSF) of RIKES nonlinear confocal microscopy in isotropic media is derived with Fourier imaging theory and RIKES theory. The impact of nonlinear property of RIKES on the spatial resolution and imaging properties of confocal microscopy have been analyzed in detail. It is proved that RIKES nonlinear confocal microscopy can simultaneously provide more information than two-photon confocal microscopy concerning molecular vibration mode, vibration orientation and optically induced molecular reorientation, etc. It is shown that RIKES nonlinear confocal microscopy significantly enhances the spatial resolution and imaging quality of confocal microscopy and achieves much higher resolution than that of two-photon confocal microscopy.     

基于迁移学习的原子力显微镜成像恢复方法

受限于探针针尖结构尺寸,用原子力显微镜进行微纳测量时会产生图像边缘失真.提出了一种基于迁移学习的原子力显微镜成像恢复方法,通过迁移学习训练源模型和靶模型实现一维栅格成像恢复.该方法采用数学形态法中的腐蚀算法生成栅格点云数据,通过U-Net网络源模型从点云中提取针尖卷积效应的特征向量,将权重参数迁移至U-Net网络靶模型,靶模型在自适应正则化方法下进行监督学习.实验结果表明,该方法能有效恢复一维栅格的原子力显微镜测量图像,提高横向分辨力,可用于纳米栅格的线宽检测上.     

Enhanced background rejection in thick tissue using focal modulation microscopy with quadrant apertures

Image formation in focal modulation microscopy using quadrant apertures (QFMM) is presented. The spatial resolution is discussed: compared with confocal microscopy, QFMM can simultaneously enhance the axial and transverse resolution. In contrast to focal modulation microscopy using D-shaped apertures (DFMM), QFMM can maintain x-y symmetry of spatial resolution, thus causing less confusion in imaging interpretation. The capability of background rejection is investigated, showing QFMM has the potential to increase imaging penetration depth. The signal level is also analyzed, indicating that the preferred detector pinhole radius is greater than for DFMM, resulting in a higher signal level.     

基于MAP的高光谱图像超分辨率方法

高光谱图像得到了越来越广泛的应用,但较低的空间分辨率严重地影响着它的应用效果;其超分辨率方法受到学术界的高度重视,但一直没有得到很好的解决。为此重点研究了建立低分辨率资源图像与高分辨率目标图像之间的关系模型;引入关联感兴趣光谱端元的算子进行空间变换;应用最大后验概率(MAP)算法实现超分辨率复原。实验表明,该超分辨率方法具有超分辨率效果好、复杂度低、抗噪声性能强和保护感兴趣类别等优点。     

Transport-based image reconstruction in turbid media with small source-detector separations

We demonstrate a new method for imaging through several millimeters of a turbid sample with a resolution of approximately 100 mum by combining aspects of confocal reflectance microscopy and diffuse optical tomography. By laterally displacing the pinhole aperture of a confocal microscope we can achieve small source-detector separations and detect minimally scattered light. A reconstruction algorithm based on the first Born approximation to the radiative transport equation is then used to reconstruct an image of a 100-mum absorbing object located 2 mm beneath the surface.