Author Affiliations
Abstract
1 Guangdong Key Laboratory for Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging, National-Regional Key Technology Engineering Laboratory for Medical Ultrasound, School of Biomedical Engineering, Shenzhen University Medical School, Shenzhen 518060, China
2 Key Laboratory of Opto-electronic Information Science and Technology of Jiangxi Province, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China
3 College of Physics and Optoelectronics Engineering, Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education and Guangdong Province, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
4 Department of Bioengineering and COMSET, Clemson University, Clemson SC 29634, US
Wide-field linear structured illumination microscopy (LSIM) extends resolution beyond the diffraction limit by moving unresolvable high-frequency information into the passband of the microscopy in the form of moiré fringes. However, due to the diffraction limit, the spatial frequency of the structured illumination pattern cannot be larger than the microscopy cutoff frequency, which results in a twofold resolution improvement over wide-field microscopes. This Letter presents a novel approach in point-scanning LSIM, aimed at achieving higher-resolution improvement by combining stimulated emission depletion (STED) with point-scanning structured illumination microscopy (psSIM) (STED-psSIM). The according structured illumination pattern whose frequency exceeds the microscopy cutoff frequency is produced by scanning the focus of the sinusoidally modulated excitation beam of STED microscopy. The experimental results showed a 1.58-fold resolution improvement over conventional STED microscopy with the same depletion laser power.
stimulated emission depletion structured illumination microscopy superresolution microscopy Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 031701
深圳大学物理与光电工程学院，深圳市光子学与生物光子学重点实验室，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
为进一步提高双光子多焦点结构光照明显微技术（2P-MSIM）的空间分辨率，笔者提出并发展了一种双光子亚衍射多焦点结构光照明显微成像方法（2P-sMSIM）。首先，通过改进的Gerchberg-Saxton（GS）相位恢复算法设计亚衍射聚焦点阵，生成相位图，利用高速相位型空间光调制器产生亚衍射聚焦点阵。通过计算机模拟的仿真实验，探究算法的可行性，并通过对荧光染料溶液的激发成像，证明了每个亚衍射聚焦点阵的平均尺寸为正常衍射受限点阵聚焦点尺寸的80%。其次，将该点阵引入2P-MSIM系统，对固定在BS-C-1细胞内的微管和商用线粒体切片分别进行了超分辨成像实验，证明了在亚衍射聚焦点阵激发下，2P-MSIM的分辨率和成像质量得到了进一步提高，这对于2P-MSIM的发展具有重要意义。
生物光学 多焦点结构光照明显微 亚衍射聚焦点阵 空间光调制器 相位恢复 中国激光
2023, 50(15): 1507103
1 深圳大学物理与光电工程学院生物医学光子学研究中心光电子器件与系统 教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学电子与信息工程学院，广东 深圳 518060
3 深圳大学化学与环境工程学院，广东 深圳 518060
双螺旋点扩散函数（DH-PSF）技术通过对成像系统光瞳面波前相位的调控，将系统的PSF改造为DH-PSF，可实现大深度、高精度的三维纳米尺度成像，被广泛应用于生命科学、材料科学、工业检测等领域。详细阐述了DH-PSF技术的基本原理、DH相位片的设计方法及其运用方法，并在此基础上介绍了该方法在深度估计技术、纳米尺度三维单颗粒示踪、超分辨荧光显微技术、新型激光扫描荧光显微技术等领域的应用研究进展，着重讨论了DH-PSF技术在这些应用实例中的优势，为相关领域的研究提供有益的参考。最后，对DH-PSF技术及其应用的发展方向进行展望。
荧光显微成像 超分辨成像 双螺旋点扩散函数 单颗粒示踪 深度估计 激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1800001
1 深圳大学物理与光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学化学与环境工程学院，广东 深圳 518060
为了进一步提高成像速度和分辨率，提出了基于双螺旋点扩展函数（DH-PSF）工程的多焦点双光子激光扫描显微成像方法和系统（DH-MTPLSM）。在激发光路中，通过高速相位型空间光调制器（SLM）同时实现了三维多焦点阵列的产生和在样品面上的高精度并行数字寻址扫描；在探测光路中，通过双螺旋相位片将系统探测PSF调制为DH-PSF，从而提供样品的轴向信息，减少轴向扫描层数，进而提高三维成像速度；结合基于DH-PSF的数字重聚焦算法，恢复出不同深度样本的宽场图像，通过单次二维扫描获得样品的三维光切片信息。在此基础上，利用搭建的DH-MTPLSM系统开展了小鼠肾组织切片的双光子成像实验，验证了该方法的快速三维高分辨成像能力，这对于MTPLSM的发展具有重要的意义。
成像系统 荧光显微 多焦点双光子激光扫描显微 双螺旋点扩展函数 数字重聚焦 空间光调制器 光学学报
2022, 42(14): 1411001
1 湖南城市学院 信息与电子工程学院，湖南 益阳 413000
2 湖南城市学院 全固态储能材料与器件湖南省重点实验室，湖南 益阳 413000
3 深圳大学 物理与光电工程学院，光电子器件与系统（教育部/广东省）重点实验室，深圳518060
本文建立了一种三维压缩感知模型以实现对高密度荧光分子图像的快速三维定位。首先，根据荧光显微的三维点扩展函数成像理论，设计测量矩阵，并建立压缩感知模型。接着，对荧光显微成像过程进行了模拟，并采用凸优化方法（CVX）、正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）算法和同伦算法对建立的压缩感知模型中模拟生成的图像进行了定位分析，分别从恢复率、定位精度、重构时间几方面进行了对比。最后，采用同伦算法对模拟的生物样品和实验室采集的细胞进行了三维定位，并获得了三维超分辨图像。对比结果表明：在重构密度和定位精度接近的情况下，同伦算法比CVX方法的重构速度快2个数量级。同伦算法较OMP算法的定位精度要高一倍。采用同伦算法来实现三维的超分辨荧光显微成像在节约计算时间、实现实时成像方面具有一定的意义。
压缩感知 单分子定位 图像重构 同伦算法 compressed sensing single molecule localization image reconstruction homotopy algorithm 
Aiwang Huang 1,2,3Danni Chen 1,2,3,*Heng Li 1,2,3Dexiang Tang 1,2,3[ ... ]Junle Qu 1,2,3
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education and Guangdong Province, College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
2 Shenzhen Key Laboratory of Biomedicine Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
3 Key Laboratory of Micro-Nano Measuring and Imaging in Biomedical Optics, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
Tracking moving particles in cells by single particle tracking is an important optical approach widely used in biological research. In order to track multiple particles within a whole cell simultaneously, a parallel tracking approach with large depth of field was put forward. It was based on distorted grating and dual-objective bifocal imaging, making use of the distorted grating to expand the depth of field, dual-objective to gather as many photons as possible, and bifocal plane imaging to realize three-dimensional localization. Simulation of parallel tracking of two particles moving along the z axis demonstrated that even when the two are axially separated by 10 μm, they can both be localized simultaneously with transversal precision better than 5 nm and axial precision better than 20 nm.
bifocal imaging dual-objective distorted grating depth of field Chinese Optics Letters
2020, 18(7): 071701
深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室, 广东 深圳 518060
发展适用于低光子数应用环境的荧光寿命分析方法对快速荧光寿命显微成像(FLIM)方法的发展和应用都具有重要意义。受高密度单分子定位显微成像中压缩感知算法的启发,将荧光寿命分析看成一个稀疏逆问题,提出了一种基于交替下降条件梯度(ADCG)的荧光寿命分析新方法,并通过对模拟数据和实验数据进行分析,验证了ADCG-FLIM算法即使在低光子数情形下依然能够较好地分析荧光寿命,从而有利于活细胞快速FLIM技术的发展和应用。
生物光学 荧光寿命显微成像 时间相关单光子计数 低光子数 荧光寿命分析 交替下降条件梯度
张赛文 1,2,3于斌 1,2,3,*陈丹妮 1,2,3吴晶晶 1,2,3[ ... ]屈军乐 1,2,3
1 深圳大学光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室， 广东 深圳 518060
2 深圳大学光电工程学院， 广东 深圳 518060
3 深圳生物医学工程重点实验室， 广东 深圳 518060
为了提高荧光超分辨显微技术的时间分辨率，提出了各种高密度荧光分子定位算法。对基于压缩感知模型的凸优化(CVX)工具箱的内点算法、同伦算法以及正交匹配追踪(OMP)算法的重构密度、定位精度、定位时间进行比较。模拟结果表明，CVX方法和同伦算法能够在高密度情况下实现精确定位，OMP算法与同伦算法运行时间比CVX算法短，但OMP算法在高密度的情况下定位精度相对其他2种算法明显下降。实验结果表明，3种算法都能实现高密度的荧光分子定位，CVX方法和同伦算法具有较好的重构效果；在500幅图像重构中，同伦算法与OMP算法的速度相比于CVX算法分别提高了14.9倍和21.2倍，大幅度缩短了重构时间。
生物医学光子学 荧光显微镜 超分辨成像 压缩感知 荧光分子定位 定位算法
1 深圳大学光电工程学院光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室, 广东 深圳 518060
2 深圳大学信息工程学院, 广东 深圳 518060
在活体细胞内研究其亚细胞结构以及细胞器和分子之间或不同分子之间的相互作用过程是目前生命科学研究的主要挑战，而发展一种能够实时检测完整细胞内多个生物分子随时空变化的单分子探测和追踪技术对于研究生命过程中的分子机制具有重要意义。设计并搭建了基于变形光栅和双螺旋点扩展函数的显微成像系统，实现了在三维空间内扩展景深和纳米定位功能，极大地扩展了成像深度。通过模拟分析，该系统在高定位精度下可实现12 μm厚样品的动态探测，并实现了完整活细胞中动态粒子的实时定位和追踪。
生物光学 动态追踪 定位精度 景深 活细胞
1 中国科学院西安光学精密机械研究所超快诊断技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 深圳大学光电工程学院, 广东 深圳 518060
介绍了光学超振荡的原理及设计方法, 利用纯振幅调制的空间光调制器(SLM)-数字微镜器件(DMD), 从实验上获得局部超分辨的超振荡光场, 并采用空间频谱分析的方法进行验证。 实验结果表明, 产生的超振荡光场中超振荡区域的特征尺寸为衍射极限的60%, 经空间频谱的分析可知, 所产生的超振荡光场中并没有超过衍射极限的高空间频率成分产生。
图像处理 超分辨 数字微镜器件 超振荡 空间滤波
