Raman感生克尔效应光谱非线性共焦显微镜理论的研究

研究了Raman感生克尔效应光谱非线性共焦显微镜的成像理论, 用Fourier成像理论结合Raman感生克尔效应理论, 导出了各向同性介质中Raman感生克尔效应光谱非线性共焦显微镜的三维点扩散函数, 并详细分析了 Raman 感生克尔效应的非线性特性对共焦显微镜的空间分辨率及其成像特性的影响. 结果表明, 基于 Raman 感生克尔效应的非线性共焦显微镜不但可以同时获得分子的振动、振动取向以及光感生分子重新取向等信息, 比双光子荧光共焦显微镜的信息量更丰富; 而且可以较大改善共焦显微镜的空间分辨率和成像质量, 比双光子荧光共焦显微镜具有更高的空间分辨率.     

共焦显微系统中引入圆环光瞳对成像特性的影响

在共焦显微系统中引入圆环光瞳将影响系统的成像特性,就轴向分辨率及杂散光的抑制两方面进行了分析,并给出了初步实验结果.     

光学显微三维成像特性的实验研究

讨论了激光共焦扫描显微镜的三维超分辨率成像特性,通过实验论证了在理论分析上所具有的三维超分辨率成像特性.理论分析和实验结果表明这种新的显微系统可以成高分辨率的二维层析图像并重构成三维图像.     

非线性二次谐波和三次谐波共焦显微镜的成像理论

研究了非线性二次谐波和三次谐波共焦显微镜的成像理论, 系统分析了二次谐波和三次谐波的非线性效应对共焦显微镜成像特性的影响, 证明了二次谐波和三次谐波共焦成像过程的三维脉冲响应函数, 既不同于相干光共焦成像过程, 也不同于非相干光共焦成像过程, 而是两次相干光成像过程, 并导出了二次谐波和三次谐波共焦显微镜的三维脉冲响应函数. 研究结果表明: 二次谐波和三次谐波共焦显微镜比单光子和双光子荧光共焦显微镜具有更高的空间分辨率.     

利用共焦成像原理实现微米级的三维轮廓测量

以普通光学成像透镜取代显微物镜,以针孔阵列(500×500)取代单针孔,实现了全场并行共焦测量.在数据处理上,采用了内插值三维重构算法,以及二次曲面拟合的系统误差校正算法,可以在较大的采样间距下获取较高的测量精度.实验表明,系统的最大横向测量范围为5mm×5mm,横向测量精度约为13μm,纵向测量精度约为5μm,因此可大大提高测量视场及测量速度.     

基于全场光学相干层析术的猪肝组织亚细胞成像

 建立全场光学相干层析系统(OCT),可对生物细胞进行高分辨率层析成像.该系统基于Linnik 干涉结构,采用低相干白光光源卤钨灯照明和大数值孔径的显微物镜,理论分辨率可达0.7 μm × 0.7 μm(横向× 轴向).系统采用电荷耦合元件(CCD)采集数张样品和参考镜的干涉图,通过三步移相算法获取层析图,最后合成三维图像.与荧光标记细胞等其他生物组织成像的方法相比,全场OCT 成本低廉、对细胞无损伤、分辨率高.该系统能够完成对洋葱表皮细胞和猪肝组织切片细胞等生物组织实现层析成像,且分辨率高、成本低、结构简单便于调节,为实现高分辨率光学相干层析成像提供了简单易行的方法.     

共焦显微系统中引入圆环光瞳对成像特性的影响

在共焦显微系统中引入圆环光瞳将影响系统的成像特性，就轴向分辨率及杂散光的抑制两方面进行了分析，并给出了初步实验结果。     

一种提高并行共焦显微测量重复性精度的方法

并行共焦测量是利用微透镜和小孔列阵产生一个二维点光源阵列,实现对物面上一个二维阵列物点的同步共焦测量。传统的共焦显微测量系统对三维形貌进行重构,是通过搜索各个轴向扫描图像中光斑光强极值点的位置来获取三维轮廓,轴向扫描间距的选取对测量精度和重复性的影响很大。文章介绍了一种新的数据处理方法,其先对各物点的轴向光强采样值进行线性拟合,再由拟合得到的直线确定最大光强所对应的轴截面位置,这样可以在较大的轴向采样间距下获得较高精度的三维轮廓信息。实验结果表明,采用这种数据处理方法,测量精度和重复性精度均有所提高。     

多光子(n≥2)荧光共焦成像特性

研究了有限尺寸光源和探测器的任意多光子荧光过程(n≥2)不同波长荧光共焦成像的分辨率,导出了相应的三维强度脉冲响应函数和光学传递函数[3D OTF],证明多光子过程可以克服光源和探测器有限孔径、荧光波长增大对系统3D OTF的不利影响;获得了普遍的点源、点探测器系统的光学传递函数[3D OTF]横向、纵向截止频率和相应的通频带(也适用单光子荧光情况).     

SLM显微立体视觉中的双重折射校正算法

为解决微流控芯片检测中由于盖片的双重折射效应导致的聚焦误差、色差和视场误差等问题,从折射基本定理出发,结合光学体视显微镜(SLM)的双光路结构,建立了SLM显微立体视觉双重折射变折射率校正算法,实现了对透明封闭容腔的非接触无损三维精确测量.在微沟道测量实验中,深度方向的测量误差由7.1 μm减小到1.5μm,相对误差由18.68%减小到3.95%.SLM显微立体视觉三维测量系统与表面轮廓仪、激光共焦扫描显微镜的横向对比测量实验,证明了SLM显微立体视觉双重折射变折射率校正的必要性和有效性.     

共焦扫描显微成像系统的非相干光学传递函数

共焦扫描光学显微（ＣＳＯＭ）系统有透射式和反射式、相干光和非相干光荧光等类型。ＣＳＯＭ 系统的平面分辨率和纵深分辨率依赖于放置在光电探测器前面的空间滤波器的孔径大小。根据不同孔径计算反射式荧光ＣＳＯＭ 系统的非相干光学传递函数,并进一步说明反射式荧光ＣＳＯＭ系统的成像特性对孔径的依赖关系     

Development of fully 3D image reconstruction techniques for pinhole SPECT imaging

The purpose of this study was to develop fully 3D image reconstruction techniques for pinhole SPECT imaging with our Micro-SPECT system.Our studies involve in the derivation of projection operators,analysis of the sampling characteristics of pinhole SPECT imaging in Radon space,development of effective geometric calibration method for system misalignment,and 3D image reconstruction development and implementation with quantitative degrading compensation for pinhole SPECT with both circular and helical scan.The performances of pinhole SPECT imaging were evaluated using computer simulations and experiments with the Ultra-Micro Hot-Spot phantom,Ultra-Micro Defrise phantom and small-animal imaging.The results from the computer simulations and phantom imaging experiments indicate that the statistically-based iterative algorithms with quantitative compensation provide overall image quality improvement,and the system resolution is significantly recovered for quantitative imaging.The helical pinhole SPECT improves the axial field-of-view (FOV) as compared with the standard pinhole SPECT with circular-orbit scan.The mouse bone imaging experiment shows that the helical pinhole SPECT imaging also provides decent high-resolution whole-body small animal imaging.In conclusion,we have successfully developed a set of valid fully 3D image reconstruction techniques for single-pinhole SPECT imaging.These techniques can be easily extended to multi-pinhole SPECT imaging.     

共焦扫描激光显微镜

介绍一台我们设计,研制的共焦扫描激光显微镜,它由共焦显微镜光学系统、信号探测成像系统以及物扫描平台驱动装置组成。光学系统设计有两条光路,便于共焦调节,可采用反射,透射和偏振３种方式,也可进行荧光成像。     

Singlebeam two-photon three-dimensional optical storage in a pyrryl-substituted fulgide photochromic material

We introduce a high-density three-dimensional optical data storage approach by using a pyrryl-substituted fulgide photochromic material with a method of single-beam two-photon recording and fluorescence confocal readout. The detailed information about the photochromic material and the experimental setup are presented. The experiments about multi-layered recording and readout are carried out with a 100-μm-thick transparent photochromic material film. The results show that the lateral resolution is better than 1 μm, and the longitudinal resolution is about 3 μm. Besides, the readout times for the recorded data are desirable when using a readout laser power smaller than 5 mW.     

活体小鼠脑组织Ca2+敏感荧光染料双光子成像的观察

 使用双光子激光共聚焦显微镜对活体小鼠脑组织（体感皮层）进行形态学和细胞内Ca²⁺变化水平的观察和记录。方法是对小鼠开颅后向脑内注射Ca²⁺敏感荧光染料Oregon Green 488 BAPTA-1乙酰氧基甲酯,然后在双光子显微镜下观察并记录。双光子显微镜下的图像清晰生动,可扫描到大脑皮层以下较深区域,并能检测神经元细胞内Ca²⁺离子即时水平变化。实验结果表明通过注射Ca²⁺敏感荧光染料并结合多光子激光共聚焦显微镜观察活体动物脑部变化的方法可以得到高分辨率图像并且作为分析的来源。     

人牙髓细胞三维生物打印的初步研究

通过生物打印方法构建含人牙髓细胞(human dental pulp cells,hDPCs)的组织工程三维结构体。探讨对hDPCs进行三维生物打印的可行性。用常规体外培养hDPCs至第4代。将细胞悬液与海藻酸钠-明胶水溶胶混合,制备hDPCs-海藻酸钠-明胶水溶胶共混物。细胞终密度为2×106/mL。用生物打印机根据预先设计的参数进行生物打印,构建组织工程三维结构体。对结构体进行肉眼观察和倒置相差显微镜观察。用钙黄绿素-AM和碘化丙啶双荧光染料对结构体进行染色,激光共聚焦显微镜观察分析结构体中hDPCs的活性。通过生物打印技术的结果可按照预先设计的参数打印出含有hDPCs的网格状的水凝胶结构体,该结构体的大小约为5 mm×5 mm×1.5 mm。倒置相差显微镜下可见结构体内微丝的直径约300μm,微丝间的孔隙相互通连,孔隙大小约350μm×350μm,hDPCs在结构体中呈球形均匀分布。激光共聚焦显微镜观察证实结构体中大部分细胞存活。初步证明hDPCs可耐受生物打印过程。通过研究说明三维生物打印技术构建出了含人牙髓细胞的组织工程三维结构体,实现了hDPCs的生物打印,为生物打印技术应用于牙组织工程奠定了基础。     

用于生物医学的新型显微分光光度计MSP系统

介绍一种用于生物医学的显微镜和光学多道分析仪（OMA）组合成新型显微分光光度计（Microspectrophotometer,简称MSP）系统,在该系统中,安放在显微镜成像平面上的光纤不仅可将信号由显微镜传输到OMA进行光谱分析,可也将光线反向导入显微镜用于校准,该系统不仅容易的构造,简单易用,而且在不增加采集时间的情况下具有比常规MSP系统更高的光谱分辨力。文中还给出系统测量人肺组织的激光诱导内源性显微荧光光谱与图像的一项实验结果。     

并行共焦探测系统的数据处理与三维信息获取

共焦测量方法由于其高精度、高分辨率及易于实现三维成像数字化的独特优势而被广泛应用。文章针对并行共焦探测系统,介绍了共焦系统图像数据处理与三维信息获取算法,提出利用插值方法来获取三维数据,提高系统测量速度和精度。编制了并行共焦探测的数据图像采集与处理专用软件,采用了基于Windows界面的模块化结构设计,具有图像采集、纵向步进控制和数据处理与三维重构等多个功能模块。