光纤非线性光学显微成像

在光学显微成像领域，基于光纤的小型非线性光学显微镜和内窥镜作为传统显微镜和其他光学成像方法的一种重要补充形式，近几年来受到人们的关注．该文介绍和总结了光纤非线性光学显微成像技术及其在生物医学中的应用．首先介绍了结合非线性光学显微技术和单模光纤耦合器获得小型非线性光学显微镜的方法；特别对基于双包层光子晶体光纤和微电机系统扫描镜的光纤非线性内窥成像系统进行了分析；最后通过消化器官的组织成像实验说明了光纤非线性光学显微镜的重要应用．研究证明了基于光纤和微电机系统MEMS扫描镜的非线性内窥镜的新概念，并用于生物组织的成像．     

双光子共焦荧光显微系统成像分析及实验研究

双光子共焦荧光显微系统可以突破传统光学显微镜的成像分辨率极限,提高厚荧光物三维扫描的横向及轴向分辨力.基于共焦荧光显微原理和菲涅耳衍射公式,分析了反射式双光子共焦荧光显微系统的三维光学传递函数.讨论了在实验条件下,共焦模块参数对双光子共焦荧光读取分辨率的影响.双光子共焦荧光系统采用的共焦小孔半径为3.92 μm时,其层析能力比采用78.4 μm共焦小孔的系统提高了1.56倍.通过已知尺寸荧光物的双光子共焦荧光成像实验,验证了共焦小孔直径与系统横向及轴向分辨率的反比关系.     

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.     

显微术浅议

1显微术发展历史及现状人类总是不断地探索更小尺度的自然现象。近年来,光学这门自然科学里最古老的学科,也随着这个时代潮流焕发出崭新的生命力,诞生了近场光学显微镜这种新的观测工具,使得人们能够观测纳米尺度的光学现象。传统的光学显微镜是以光学透镜为主体,利用透镜能将物体放大成像的功能而制成的。一般的,单级透镜能将物体放大几十倍,级联使用可达到千倍以上。从根本上说,光的衍射效应限制了光学显微镜进一步提高分辨率的可能性。根据瑞利判据,光学成像系统的分辨率δx≥0.61λ/N.Sinθ,其中λ为光波波长,N.Sinθ为光学成像系统的数值孔径,对于单透镜,它等于透镜的直径与焦距的比值。由此可见,提高分辨率的方法有三个途径(1)选择更短的波长。(2)用折射率很高的材料以提高N。(3)增大显微镜的孔径角θ。而通过这几个途径来得到更大放大倍数、更高分辨率的显微镜,在可见光范围内没有多少改善的余地,也受到许多技术上的制约。上世纪80年代以来,随着科学与技术向小尺度与低维空间的推进与扫描探针显微技术的发展,在光学领域中出现了一个新型交叉学科一近场光学。近场光学对传统的光学分辨极限产生了革命性的突破。与传统光学显微镜相比,近场光学显微镜最大区别在于(1)以纳米级的光学探针代替了传统光学显微镜镜头(2)在探测过程中探针被控制在样品表面一个波长以内的近场区域。而样品表面的近场区域内存在携带物体表面精细结构信息的非辐射场,所以,处于近场区域内的探针可探测到亚微米级的光学信息,突破了瑞利衍射极限的限制。在理论上,其分辨率是无限大的,但由于技术上探针针尖不能做的无限小,探针也不能太接近样品表面,所以在实际应用中,分辨率还是有限的。1982年,瑞士苏黎士IBM的宾尼和罗雷尔制成了世界上第一台扫描隧道显微镜(STM),极大地提高了观测灵敏度,比传统电子显微镜提高了两个数量级。在被应用到光学领域时,极大的推动了扫描近场光学显微镜(SNOM)的诞生和发展。1984年瑞士苏黎士IBM研究小心用金属镀膜的石英晶体尖端制成的纳米尺寸光孔作为探针制成了世界上第一台近场光学显微镜,同时美国康乃尔大学用微毛细管拉成的极细光孔为探针制成了近场光学显微镜。从此,近场光学显微镜走向成熟,并广泛应用于许多微观现级观测领域。     

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.     

无透镜鬼成像关联参数优化

为提升无透镜鬼成像的成像质量,构建了基于赝热光源的无透镜二阶鬼成像实验系统。分析了关联计算次数、物臂探测器尺寸和两臂偏离量等参数对无透镜鬼成像质量的影响,并通过信噪比和均方误差对重构图像的成像质量进行了定量评估。研究结果表明:当关联计算次数大于2 000次时,继续增大关联计算次数不能明显提升成像质量。为了保证鬼成像重构图像质量,物臂探测器面积应小于1 640μm~2,参考臂和物臂的偏离量应小于10 cm。     

光学微扫描显微热成像系统超分辨力图像处理方法研究

为提高已研制光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力,基于改进的频域图像配准技术和凸集投影超分辨力算法,提出了显微热成像系统光学微扫描超分辨力图像处理方法。给出了该方法的原理及步骤,采用不同重构方法行了仿真研究,给出了评价参数和结论。利用光学微扫描显微热成像系统采集低分辨力显微热图像序列进行了超分辨力处理实验,实验结果表明本文提出方法的有效性,光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力得到提高从而可满足需要高分辨力显微热分析的场合。该方法还可以应用于其它不可控光学微扫描成像系统中,具有广泛的应用前景。     

近场光学显微术对凋亡HeLa细胞成像的探索

用扫描近场光学显微镜对凋亡的HeLa细胞进行了近场光学成像,得到优于光学衍射极限的光学分辨率.由于近场光学显微镜同时测量细胞表面形貌信息和透射光强信息,可以将细胞表面及其内部的物质结构特性和光学特性与空间位置相结合,获得凋亡细胞的结构信息与光学细节信息的对应关系.运用近场光谱方法在不同波长进行透射光谱成像时,不同波长的光在细胞内的传播与吸收所造成的光强分布存在显著差别,这种特性可以用于对细胞内不同组分的超高空间分辨率成像.结合近场光学成像和光谱成像结果,表明凋亡HeLa细胞内部为非均匀结构,并且其物质分布也极不均匀.研究表明,运用近场光学显微镜和近场光谱成像技术,不但提供优于衍射极限的高分辨本领,还可以提供生物细胞精细结构的更深层次的光学信息.     

面曝光快速成形系统的光学成像系统设计

为了得到曝光量均匀的工作面,满足面曝光快速成形技术的需要,提出1种对投影仪成像光路的改造方法.选择反远距光路,2次成像的光学成像系统设计方案,使用非定制镜片,设计用于面曝光快速成形系统的光学成像系统,该系统由2个组元和1个光阑构成.使用ZEMAX软件对像差进行分析,系统最大慧差值为0.08mm,最大像面畸变为1.1%,像面中心分辨率达0.05mm.该成像光学系统的设计,为低成本面曝光快速成形系统的构建提供了基础.     

2013-17 科技要闻

实现最高分辨率单分子拉曼成像中国科学技术大学侯建国等在国际上首次实现亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像,将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到前所未有的0.5nm。研究团队一直致力于自主研制科研装备,发展了将高分辨扫描隧道显微技术与高灵敏光学检测技术融为一体的联用系统。利用针尖与衬底之间形成的纳腔等离激元"天线"的宽频、局域与增强特性,通过与入射光激发和分子拉曼光子发射发生双重共振的频谱匹     

体全息在共焦显微镜中的应用

采用体全息记录信息代替共焦显微镜中的反射镜,在物光的衍射光强最大的条件下,记录体全息信息.体全息共焦成像的动态范围取决于全息衍射效率和材料的限制,而深度分辨率则取决于物镜的数值孔径和记录介质的厚度大小.体全息共焦显微镜系统的观测结果对探测器前的光阑孔径大小没有明显的依赖关系,在探测器前加尺寸不必特别小的针孔或可以不加针孔,这样可减小由于衍射现象引起的像差.体全息成像本身具有滤波的作用.物镜的像差在体全息自成像过程中由于相位共轭而消除,从而使仪器的深度分辨率与测量的动态范围不再相互限制.     

偏振干涉成像光谱仪中CCD的成像分析

光谱仪采集目标像的干涉图最终需要通过CCD系统来成像,为了能得到更高的图像分辨率和成像质量,需要不断优化CCD成像系统。偏振干涉成像光谱仪CCD成像系统一般包含两个部分：一是通常所说的光学成像系统,另一部分是CCD图像传感器采样记录系统。本文通过分析和描述CCD的采样过程。来讨论光谱在CCD成像过程中的频谱传输特性,并论述由于离散采样过程带来的频谱混迭对CCD成像系统中成像质量的影响。     

光学显微系统的图像质量优化方法

为了改善显微成像系统的照明均匀度和光照度,对透射式显微镜照明装置中的聚光镜进行优化设计.首先,分析由双透镜组成的阿贝聚光镜光轴不对中、通光孔径小等问题对成像质量带来的负面影响.然后,提出用单一非球面透镜替代双透镜聚光镜来改善成像质量的方法.最后,实测聚光镜改进前后的照明装置对显微镜照明均匀度和光照度等关键性能指标的影响.实验结果表明:在20X,40X物镜下,使用单个非球面透镜组成的聚光镜的照明装置的照明均匀度分别达到0.50%和0.66%,比改进前的双透镜聚光镜的均匀度提高5倍;同时,优化聚光镜后的照明装置光照度比优化前分别提高了15%和17%.实际样本实验也表明,使用单个非球面镜聚光镜的照明装置能有效提高照明均匀度和光照度,可以改善透射式光学显微镜的成像质量.     

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

介绍了一种线阵快扫描三维激光雷达成像仪,给出了线阵激光雷达的系统结构和工作原理.从阵列探测器中的某一单元出发,在分析激光光束发射与接收光路的基础上,利用光学原理和解析几何推导了线阵激光雷达成像严密的计算方程,并分析了影响激光雷达成像质量的内部和外部因素.外场测试实验表明,在30 m的距离,该仪器原理样机的距离分辨率可以达到5 cm,能够探测到直径在8 cm以上的目标,平面拟合后的残差的标准偏差在5 cm左右.     

基于无透镜数字全息的显微成像系统

基于无透镜数字全息成像与再现的原理和范西泰特-泽尼克定理,对同轴无透镜数字全息显微成像系统可测量微颗粒的大小范围以及各元件之间的距离进行了推导,得到了较为准确的数据并设计搭建了系统。结果表明,无透镜数字全息显微成像系统相较于传统显微镜有不受空气中灰尘的干扰、视场大且可通过计算机处理提高图像质量等优点。通过用设计的系统观察直径在2～10μm的金刚砂,并与显微镜观察的图像做对比,证明了理论推导与结果相一致。     

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。     

基于残差网络的微波关联成像目标重构方法研究

微波关联成像将量子强度关联成像的思想扩展到微波领域,不仅很好地解决了传统雷达无法进行高分辨凝视成像以及复杂的运动补偿等问题,还具有分辨率高、抗干扰能力强等特点,受到广泛关注.针对微波关联成像传统重构算法在低采样数条件下重构质量差问题,将残差网络和卷积神经网络应用于微波关联成像重构中,提出一种基于残差网络的微波关联成像方法,以雷达接收机回波数据作为网络的输入,依次通过训练好的特征提取网络和图像增强网络,进行高质量图像反演,并将文中算法与伪逆算法和压缩感知算法进行仿真对比分析.仿真结果表明:在相同采样率下,文中算法成像质量均高于其他算法.同时,在不牺牲图像质量的条件下,单张图像重构执行程序所耗时间约为0.06s,提高了图像重建的速度,对工程应用有重要意义.     

基于声学散射透镜的低成本光声断层成像方法

光声断层成像需要使用换能器阵列及多通道系统，硬件成本较高，制约了其广泛应用.为降低成本，设计了一种基于声学散射透镜的光声断层成像方法，利用声学多重散射过程中的多路径效应达到增大探测阵列等效数值孔径的作用，从而减少信号探测过程所需换能器数量.通过数值模拟实验，首先分析了散射透镜格林函数的精确测量方法，随后利用四个散射透镜共同作用实现了高质量光声断层成像，并对影响成像质量的相关因素进行了具体研究.提出的散射透镜无须复杂制作工艺或特殊材料，系统只需四个超声换能器即可实现快速成像，可降低光声断层成像系统的硬件成本.     

二维声子晶体负折射成像效应及其分辨率对比

采用有限元分析方法,研究了声子晶体负折射现象与板厚度的关系.通过对比分析声子晶体单板成像系统和串联式声子晶体多板成像系统,结果发现多板系统的像点强度较强,但分辨率却高于单板系统.利用串联式声子晶体多板成像系统可以提高成像质量.     

显微热成像系统的噪声等效温差和噪声等效辐射率差模型及其分析

提出一种可用于大规模集成芯片、生物医学和科学研究等显微热诊断的显微热成像设计方案.研究了显微热成像系统的噪声等效温差(NETD)和噪声等效辐射率差(NEED)模型,分析了显微热成像与望远模式热成像的差异.针对理想光子探测器和理想热探测器,探讨了显微热成像系统的NETD和NEED的关系.理论推导及仿真结果表明二者是以背景温度为函数的非线性关系.从理论上给出了提高显微热成像质量的一些建议.