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.     

多视场宽时域仿生极高速成像

现有极高速成像系统存在元件复杂、系统庞大以及视场受限的问题。基于螳螂虾小眼和复眼结构提出一种结构紧凑的极高速成像方法，可应用于多种视场和时间范围。仿生极高速成像仿生微绒毛阵列结构，以条纹结构光照明和空间角分复用为基础，实现图像的压缩和瞬态事件时序图像的重现。仿生螳螂虾小眼结构，可以实现视场极高速成像；而复眼系统结构上有小眼系统拼接组成，可以突破限制现大视场极高速成像。时间延迟结构与照明成像光路分离，可以实现飞秒至皮秒时间尺度的瞬态事件记录。因此，仿生多视场极高速成像理论上可以应用于各种视场的成像，仿真实验的摄影频率可以达到1.2×10¹³帧/s，还原图像分辨率可以达到80.6 lp/mm。仿生极高速成像为大范围、群体性瞬态事件的探测提供了可能，例如光在散射介质中的传播、随机运动等，并且其结构紧凑，为极高速成像仪器的小型化、轻量化打下基础。     

表面等离激元结构光照明显微成像技术研究进展

结构光照明显微成像技术(SIM)因其高分辨、宽场、快速成像的优势,在生物医学成像领域发挥了不可估量的作用.结构光照明显微成像技术与动态可控的亚波长表面等离激元条纹相结合,可以在不借助非线性效应的情况下,将传统SIM的分辨率从2倍于衍射极限频率提升到3 4倍,此外还有抑制背景噪声、提升信噪比的能力,在近表面的生物医学成像应用中有重要价值.本文介绍了表面等离激元结构光照明显微成像技术的原理,并总结了近几年国内外的相关研究进展.     

多变视场的多焦点多光子激发荧光显微技术

发展了一种新型的多焦点多光子激发荧光显微技术,通过软件控制空间光调制器,在所需要的成像区域产生相应的激发光点阵,通过扫描入射角实现激发点阵快速并行扫描激发,通过CCD并行记录所产生的荧光信号,获得任意视场图像。分别实现了10×10和50×50点阵激发下的全视场双光子荧光图像,并且实现了同时多个区域寻址的多焦点激发成像。对比其他多焦点显微技术,该技术具有明显的灵活性,不但保持了多焦点激发的快速成像的优点,而且还增加了任意数量成像区域同时寻址和阵列点密度变化,所有这些变化只需要通过软件加载相应的相位图案给空间光调制器,而不需要任何硬件更改。     

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...     

用于几keV能点动态成像诊断的KB-KBA混合型光学系统设计

围绕激光ICF研究中几keV能点的动态成像诊断需求,提出了具有大视场、高空间分辨、高集光效率和谱分辨特性的新型KB-KBA混合型光学结构。该结构以子午方向上两块单层膜球面镜校正像差,实现大视场内的高空间分辨;在弧矢方向上用一块多层膜球面镜聚焦,以保证较高的集光效率和谱分辨能力。该结构克服了传统单层膜和周期膜KBA结构在几keV能点动态成像诊断中存在的集光效率低,强度不均匀和有效视场受限等不足。针对2.5 keV和4.3 keV两个能点,给出了光学初始结构和膜系的设计,建立了考虑膜系反射性质的光线追迹模型。模拟结果表明,该KB-KBA混合型结构在子午方向1.4 mm视场内空间分辨均优于5μm,有效集光效率优于2×10~(-7)sr,可以满足动态成像诊断的需求。     

具有变视场性能的中红外光谱系统设计与研究

为了用同一设备对目标在中红外光谱段同时实现跟踪和捕获,针对像元尺寸为15μm×15μm的新型大面阵640×512红外探测器,设计了一套大面阵中红外光谱变视场探测成像系统,系统光谱范围为3.7~4.8μm,F数为4.0,窄视场为0.45°,宽视场为0.90°,通过利用机械机构在窄视场结构中切入两片透镜实现宽视场结构,应用二次成像技术不仅有效减小了前固定组透镜口径,而且实现了100%冷光阑匹配,减小了进入红外探测器的杂光。该系统仅采用了锗和硅两种常用的红外材料,为了有效校正系统的轴外像差和高级像差,并保证变视场系统两种结构的齐焦性,系统应用了非球面技术。设计结果表明,奈奎斯特频率33lp·mm-1处,系统的窄视场和宽视场的传递函数值均优于0.2,所有视场畸变均小于0.5%,具有优良的成像性能。在极端温度-35~55℃范围时,该大面阵中红外光谱变视场探测成像系统窄视场结构和宽视场结构的成像质量变化不大,满足使用要求。     

结合去卷积的艾里光束片状光显微成像研究

为了解决传统高斯光束片状光照明显微成像技术高轴向分辨率时视场范围(FOV)小的问题,结合艾里光束片状光照明样本成像与去卷积算法,实现了光片显微镜对样本的高轴向分辨率大视场成像。数值模拟了高斯光束与艾里光束经过物镜聚焦后的光强分布。搭建实验光路系统,在液晶空间光调制器上加载三次相位图生成艾里光束,并扫描光束生成片状光照明荧光微球、染色的斑马鱼肌肉组织进行成像实验。在艾里光束光片显微镜成像结果基础上,建立去卷积算法进行图像恢复,克服了艾里光束光片显微镜成像范围大但轴向分辨率不高的问题,对荧光微球成像,探测放大倍率为42倍,FOV从高斯光束光片显微镜的25μm扩大到208μm;对染色的斑马鱼肌肉组织进行成像,探测放大倍率为53倍,FOV由20μm扩大到167μm。仿真和实验表明,通过艾里光束光片显微镜与去卷积算法的结合可以在扩展光片显微镜成像视场的同时提高轴向分辨率。     

亚微米分辨率Wolter显微镜的设计

受限于初始构型和光学加工能力,现有X射线成像诊断设备的最优空间分辨率被限制在3～5μm。提出一种基于开放式Wolter构型的亚微米分辨率X射线显微镜。详细介绍了显微镜的光学结构、设计方法和关键参数。提出一种适用于Rayleigh-Taylor不稳定性诊断的大视场、高分辨率X射线显微镜的光学设计方案。开展了基于光线追迹的构型验证、像质仿真和系统响应效率评价。显微镜设计工作能点为2.5 keV,有效视场为±0.35 mm,在全视场范围内空间分辨率优于1μm,几何集光立体角为3.73×10^-5 sr,峰值响应效率为1.52×10^-5 sr。     

基于激光干涉的结构光照明超分辨荧光显微镜系统

结构光照明荧光显微术(SIM)是一种可突破阿贝衍射极限的宽场显微成像技术,因其非侵入、成像速度快及光损伤小等优点在生物医学研究中具有广泛的应用前景。从结构光照明显微成像系统基本原理出发,分析了超分辨图像重构算法原理、重构图像中伪影来源及优化方法;结合研制的线性/非线性结构光照明显微镜,详细讨论了基于激光干涉的SIM成像系统光机结构。重点讨论了系统的同步时序设计和光路中的几个关键技术问题。设计对比实验验证了自主开发的SIM重构算法的可靠性,并基于研制的线性SIM系统开展细胞骨架的成像实验。最后,对SIM技术在生物上的发展和应用提出展望。     

基于超透镜阵列的平面人工复眼研究（英文）

为了实现轻量化、集成化与大视场的光学成像系统,提出了一种基于超透镜阵列的平面化人工复眼结构。该结构使用基于几何相位原理的不同取向二氧化钛纳米柱结构来实现电磁波调控,使得超透镜阵列面与复眼的像面均为平面,不需要传统曲面复眼所需要的非球面加工。在传统超透镜聚焦相位的基础上叠加倾斜相位,能够较好地抵消光学系统非近轴区域光线离轴照明对成像质量的影响,实现大视场复眼的效果。所设计的复眼主要由一个11×11的超透镜阵列组成,总体尺寸仅为165μm×165μm,总体高度为18.6μm,视场角可达140°×140°。仿真结果表明:光线以较大离轴角(50°)照明的情况下,所提出的复眼结构仍能实现较好的成像效果。     

中长波红外双波段自由曲面棱镜

为解决传统双波段红外成像系统构型复杂的问题,提出了一种将自由曲面棱镜引入双波段成像系统的一体式构型。基于设计中约束追迹光线角度的低灵敏度优化方法,实现了F数为1、焦距为20 mm、视场角为21.8°×16.4°的双波段（3.7～4.8μm和8.0～12.0μm）红外光学系统。在20 lp/mm空间频率处,系统中波红外波段和长波红外波段内所有视场的调制传递函数（MTF）分别高于0.79和0.67。经公差分析可知,该自由曲面棱镜的制造可采用单点车削机床实现。同时,完成了长波红外自由曲面棱镜的试制。     

结构光照明相位/荧光双模式显微技术

本文提出了一种基于结构光照明的高分辨相位/荧光双模式显微成像方法.该方法利用一数字微镜阵列(DMD)产生条纹结构光,并记录样品在结构光照明下的全息图像和荧光图像,最终可以重建出样品的定量相位图像和超分辨荧光图像.此外,还提出了一种补偿环境扰动对相位成像影响的数值方法,提高了成像系统的抗干扰能力.在该双模式成像系统中,定量相位成像和荧光成像的空间分辨率分别为840 nm和440 nm,为同一样品提供互补信息.该方法有望被广泛应用于生物医学、工业和化学等诸多领域.     

结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望

结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy,SIM)通过结构化照明在频率域以空间混频的方式将物体高频信息载入光学系统的探测通带内实现突破衍射极限的超分辨光学显微成像。SIM凭借其较低的激发光强、对荧光染料的非特异性需求以及快速的宽场成像优势已成为活细胞超分辨光学显微成像方面应用最多的技术。本文系统回顾了SIM的技术进展,对SIM的基本原理与实现方法进了详细的分析,重点介绍了本课题组研发的基于光谱分辨的单光子激发超分辨显微镜和结合自适应光学的双光子激发超分辨显微镜这两种最新的SIM技术,最后简要讨论了SIM技术在生物成像中的应用及未来发展方向。     

基于连续变焦的大口径长焦距的探测成像一体化光学系统设计

为实现空间目标的探测与精确识别,设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统,实现了短焦大视场探测,长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂（RC）结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式,使用两片反射镜压缩光路,系统工作于450～850 nm的光谱范围内,焦距为700～3 500 mm;探测端焦距为700 mm,F数为2.5,视场角为0.5°×0.5°;成像端焦距为1 400～3 500 mm,F数为5～12.5,视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。     

基于波前相位调制的宽视场光片显微镜研究

为解决光片显微镜成像视场范围小的问题,通过光束波前相位调制与图像拼接技术实现了光片显微镜对样本的宽视场成像。数值模拟了照明光束在波前相位调制后物镜聚焦面处的光强分布。搭建了光片显微镜光路系统,并对荧光微球、菊花花粉进行成像实验。采用片状照明光束对不同聚焦位置处的样本进行成像,再将图像进行剪裁、拼接得到宽视场成像结果。实验结果表明,488nm激发光通过数值孔径为0.3的物镜照明样本成像,可在保持光片厚度为0.81μm的情况下达到31.93μm的成像视场,视场扩展到原视场的3倍以上。仿真和实验表明,采用光束波前相位调制与图像拼接技术可在不损失层切能力的前提下扩展光片显微镜的成像视场。     

基于非周期多层膜的X射线成像研究

设计了惯性约束聚变（ICF）诊断实验用X射线Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜,给出了系统的结构参量.使用ZEMAX光学软件对KB型显微镜进行了性能模拟,结果表明：在8 keV能点,放大率为8倍时,轴上点的最佳空间分辨率小于2 μm,200微米视场的空间分辨率优于10μm.采用磁控溅射方法制备了W/B4C非周期多层膜,经X射线衍射仪（XRD,工作能量8 keV）测量,其反射率为20％,带宽为0.3°,达到了KB型显微镜成像系统的要求.使用Cu靶X射线管进行了成像实验,得到了放大倍数分别为1倍和2倍的一维X射线像.     

KB镜成像模拟以及与菲涅耳波带板成像的比较

采用坐标变换方法自编光线追迹程序模拟了Kirkpatrick-Baez镜在X射线波段的掠入射成像,获得了视场、分辨率等结果.比较了给定参量条件下Kirkpatrick-Baez镜与菲涅耳波带板两种高分辨X射线成像的特性,给出两者各自适用范围.Kirkpatrick-Baez镜成像有比较高的系统效率,在视场中心的空间分辨能力可达0.71μm,但偏离视场中心±200μm,空间分辨能力显著下降至6μm,适用于较小视场的成像.菲涅耳波带板成像不仅在视场中心可以实现0.39μm的空间分辨能力,偏离视场中心达±13 mm,空间分辨能力也几乎不变,可实现大视场高分辨成像.     

移动式量子级联激光器太赫兹全息成像仪光路结构设计

为了满足移动式量子级联激光器太赫兹(QCL-THz)全息成像仪大视场高空间分辨率的技术需求,设计了预放大同轴数字全息光路结构,显微物镜数值孔径为0.707或0.8,放大倍数为6倍,最佳工作距离为15mm。采用波长为96.8μm的QCL光源,该光路结构能实现10mm的视场,优于100μm的空间分辨率。     

神光-Ⅱ激光装置上的针孔点背光成像技术实验研究北大核心CSCD

在神光-Ⅱ激光器上开展了针孔点背光成像技术实验研究,利用第9路激光驱动平面钛靶获得4.75keV的准单能光源,在10μm的针孔约束下形成次级点光源对镍网格等样品成像。实验获取了清晰的网格图像,空间分辨力达到7μm,并对烧蚀碎片、杂散光等该技术的关键性问题进行了系统深入的研究分析。实验结果表明:针孔点背光具有高空间分辨力、大视场等特点,优于传统背光技术。