“显微成像”专题 前言

    

    

光学显微成像技术的目标就是看得更细、更清,成像速度更快。几十年来,光学显微成像技术取得了长足发展,成像分辨率已经可以突破衍射极限,实现超分辨率显微成像,为细胞等微观结构的研究打开了新的大门。近年来,光学显微成像技术受到了众多科研工作者的关注,国内的相关研究取得了重要进展,发表了大量高质量论文。为了方便广大读者了解、讨论和交流该领域的发展,《激光与光电子学进展》编辑部精选了10篇2016-2017年《激光与光电子学进展》发表的相关论文,组织了“显微成像”虚拟专题。

基于叠层衍射成像术的量化相位显微成像

潘安;张艳;赵天宇;汪召军;但旦;史祎诗;姚保利

中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室;中国科学院大学;中国科学院光电研究院

[摘要]作为一种新兴的无透镜相位恢复技术,叠层衍射成像大大提高了传统相位迭代恢复算法的收敛速度和抗噪能力,具有大视场、高对比度、高分辨率、无需标记、长工作距离、不丢失相位低频分量等优点,在多个领域得到了广泛的应用。介绍了量化相位显微成像领域的研究现状与最新进展,特别是传统叠层衍射成像术(CP)和傅里叶叠层衍射成像术(FP)的基本原理、技术进展及相关应用,着重介绍了快速FP及基于FP的荧光显微成像技术,总结了CP和FP目前面临的问题及未来的发展趋势。

基于金刚石NV色心的超分辨成像技术

杜博;陈向东;孙方稳

中国科学技术大学量子信息重点实验室

[摘要]光学显微镜的出现为细胞等微观结构的研究打开了新的大门,然而衍射极限的限制使得更加精细的结构难以探测。近年来,一些充满创造性的方法突破了衍射极限,达到纳米级分辨率。氮-空位(NV)色心是金刚石中一种常见的发光缺陷,由于其具有明亮而稳定的发光性质和较长的电子自旋相干时间而被广泛应用于量子计算与量子测量中;同时,NV色心在超分辨成像技术中也发挥着巨大作用,通过与各种超分辨成像显微镜的结合,实现了对NV色心的纳米级分辨率成像,而且进一步实现高空间分辨率的量子传感。本文简单介绍了NV色心的结构与性质,以及各类成像技术的基本原理;对NV色心与超分辨成像结合的各项技术实验成果进行了归纳与比较,并对其应用进行了总结与展望。

多色双光子成像技术进展

崔权;陈忠云;张智红;骆清铭;付玲

华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)Britton Chance生物医学光子学研究中心;武汉 430074华中科技大学生物医学工程系生物医学光子学教育部重点实验室

[摘要]双光子荧光显微成像是一种非线性光学显微技术,具有高空间分辨率、高信噪比和固有的三维层析分辨能力等优点。传统的双光子荧光显微成像通常使用波长可调谐的100 fs超短脉冲激光器作为激光光源。目前,人们对双光子荧光显微成像方法进行了深入研究,改进光源及探测方法是常用的手段。介绍和总结了多色双光子荧光显微成像技术的近期研究进展及其在生物医学中的应用。首先介绍了传统飞秒激光器及光学参量振荡器在多色成像中的应用,然后对光纤超连续谱在多色显微成像中的应用进行了分析,最后简要说明了增强自相位调制效应产生连续光谱以及选择性激发实现多色成像的工作。多色双光子成像技术不仅可以同时获取含有多种荧光团的待测样品的高对比度双光子荧光图像,而且具有系统结构简单、操作简便等优点,这使得其在生物医学和材料科学等领域具有广阔的应用前景,并且为生物医学诊断与研究提供了一种有效的工具和平台。

微球透镜超分辨成像研究进展与发展前景

刘畅;金璐頔;叶安培

北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室

[摘要]受衍射极限的限制,传统光学显微镜的分辨率只能达到入射光波长的一半。超分辨显微镜已有很多,但制作工艺复杂,适用样品有限,对成像条件要求苛刻,因此应用受到很多限制。研究表明,将直径为几微米至几十微米的透明电介质微球置于样品表面,能显著提高传统光学显微镜的分辨能力,在白光下即可实现超分辨成像,与其他类型显微镜结合使用时也能保持超分辨能力。这种新型透镜为纳米结构和生物样本的实时超分辨成像提供了一种简单、直接的方式。结合本课题组研究结果,介绍并总结了国内外微球透镜的研究进展。

CCD探测型共聚焦显微成像横向分辨率优化

师亚琴;张运海;肖昀

中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室;中国科学院大学

[摘要]电荷耦合器件(CCD)探测型共聚焦显微成像是近年来共聚焦成像的新方法,其成像横向分辨率除受物镜数值孔径影响外,还与成像探测方点扩展函数分布区域中实际采用的CCD像元密切相关。用CCD取代传统共聚焦成像中的针孔和点探测器,选取点扩展函数分布区域中一定组合的CCD像元合成等效针孔,在合成针孔为不同尺寸时分别比较系统的横向分辨率,得到优化的合成针孔,通过对不同合成针孔获得的图像加权相减,实现消减成像,进一步提高横向分辨率。实验得出:当合成针孔尺寸为艾里斑直径0.8倍时(8 pixel×8 pixel),扫描图像同时具有较高的横向分辨率和信噪比;当用优化针孔(8 pixel×8 pixel)与较大针孔(10 pixel×10 pixel)图像加权相减时,权重系数取0.6时获得的消减图像横向分辨率相对于优化针孔图像提高了21.7%。CCD探测型共聚焦成像方法大大降低了传统共聚焦成像系统的装调难度,通过选取优化的合成针孔并进行消减成像可以提高成像的横向分辨率。

基于随机脉冲编码的超分辨显微成像算法研究

谢创亮;观嘉宁;白玉磊;杨其宇;叶双莉;周延周

广东工业大学自动化学院;武汉大学印刷与包装系

[摘要]由于衍射极限的限制,传统的光学显微镜无法获得纳米级别的分辨率。为了突破衍射极限,提出一种基于随机脉冲编码和分时复用的显微成像新方法。可以较高效地对点扩展函数模糊图像进行编码解码,重构出原图像。阐述了该方法的数学原理,并在不同稀疏度编码和不同图像帧数下,进行了仿真分析,结果表明,采用稀疏编码和1000帧左右图像,可以获得被测样品的超分辨率图像。该方法能够突破衍射极限,是一种适合活体细胞研究的有效方法。

傅里叶叠层显微术的照明光强校正研究

杨佳琪;马骁;林锦新;钟金钢

暨南大学光电工程系;暨南大学广东省光纤传感与通信技术重点实验室

[摘要]傅里叶叠层显微术(FPM)是一种新型的计算显微成像技术,FPM与传统显微术照明方式不同,常采用可编程LED阵列进行不同角度照明,而LED灯珠发射光强与角度有关,随角度增大光强迅速减弱,不同角度照明光强不能保证一致,导致重建图像质量下降。因此,在进行相位迭代反演计算过程中,需要对不同角度照明拍摄的图像进行光强校正。介绍了不同角度照明光强不均一的原因,通过数值模拟,探讨了对不同角度照明光强进行校正的必要性,最后给出了物理上光强校正的实验结果。

自适应宽场高分辨率显微成像技术的研究进展

徐洋;满天龙;万玉红

北京工业大学应用数理学院

[摘要]光学显微成像技术可以用来观察微小物体的结构细节, 但在生物样品的显微成像领域中, 像差的存在使得任何显微成像技术的成像质量都无法达到理论预期。为了解决这一问题, 自适应光学技术被应用于不同类型的显微成像系统中进行像差的探测和校正。着重总结了自适应宽场高分辨率显微成像技术的研究动态, 阐明了数字全息自适应光学技术和非相干数字全息自适应光学技术的特点、优势以及存在的问题。

结合物镜测试的梯度约束显微成像质量提升方法

黄奕龙;赵巨峰;张克奇;华玮平;崔光茫

杭州电子科技大学;宁波永新光学股份有限公司

[摘要]光学显微数码成像系统中,光学退化是影响图像质量的重要因素。结合物镜测试,本文提出了一种结合分视场PSF(Point Spread Function)估计的梯度约束显微图像恢复方法,并应用于显微镜以形成质量提升系统。通过物镜MTF(Modulation Transfer Function)测试,分视场计算获取点扩散函数PSF。引入零阶范数梯度约束作为正则化项,设计基于该约束的快速复原方法。提出渐变加权拼接方法实现分视场复原结果的无缝拼接。本文方法对不同物镜下的显微图像进行了复原实验测试,并使用评价方法评估。与其他方法相比,本文方法给出的显微复原图像效果好,运行速度快,对2048×1536图像只需1.62秒,适用于显微成像系统。

双轴反射式2.52 THz共焦扫描二维轴向成像特性实验

周毅;李琦

哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室

[摘要]太赫兹双轴反射式共焦扫描成像技术可穿透非极性非金属材料并实现高分辨三维成像,因此具有广泛的研究和应用价值;其二维成像质量与物体轴向位置有很大关系。利用2.52 THz双轴反射式共焦扫描成像系统进行了物体轴向位置对二维成像质量的影响实验。引入线对比度和区域对比度客观描述成像质量,主客观评价基本吻合。

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