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结构光照明相位/荧光双模式显微技术

物理学报 2022年第24期71卷 184-194页

作者：高兆琳刘瑞桦温凯马英李建郎郜鹏西安电子科技大学物理学院西安710071

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... 详细信息

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.

关键词：结构光照明双模式成像定量相位显微分辨率增强相位补偿

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结构光照明超分辨成像图像重建算法研究进展

激光与光电子学进展 2022年第6期59卷 136-147页

作者：唐于珺王林波文刚李辉中国科学技术大学生物医学工程学院江苏苏州215163 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江苏苏州215163

结构光照明超分辨显微镜(SIM)已成为分子细胞生物领域进行活细胞动态过程实时观测的重要工具。SIM作为一种计算成像方法,其成像质量很大程度依赖于超分辨图像重建算法的优劣。近5年来,陆续报道了近10种针对不同条件下的SIM超分辨成像开... 详细信息

结构光照明超分辨显微镜(SIM)已成为分子细胞生物领域进行活细胞动态过程实时观测的重要工具。SIM作为一种计算成像方法,其成像质量很大程度依赖于超分辨图像重建算法的优劣。近5年来,陆续报道了近10种针对不同条件下的SIM超分辨成像开源算法,基于深度学习的SIM重建算法也层出不穷。理解各算法的原理及异同从而在实际成像实验中选择合适的成像算法,成为了SIM成像技术应用的重要环节。首先介绍了SIM成像的原理;然后分别从结构光参数估计、频谱优化的重建算法、基于深度学习的重建算法三方面介绍了SIM重建算法的最新进展,为SIM研究者及用户提供参考;最后总结了高质量SIM超分辨图像重建仍需解决的问题。

关键词：医用光学荧光显微镜结构光照明超分辨成像参数估计频谱优化深度学习

双通道结构光照明超分辨定量荧光共振能量转移成像系统

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物理学报 2023年第20期72卷 276-285页

作者：罗泽伟武戈陈挚邓驰楠万蓉杨涛庄正飞陈同生华南师范大学生物光子学研究院教育部激光生命科学重点实验室广州510631 华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室广州510631

基于结构光照明(structured illumination,SI)的超分辨荧光共振能量转移(super resolution fluorescence resonance energy transfer,SR-FRET)成像技术(SISR-FRET)可以通过解析活细胞内亚衍射区域的FRET信号来研究细胞器精细结构上的分子结构与功能.SISR-FRET成像中激发发射通道切换导致成像速度较慢,限制了SISR-FRET在快速成像中的应用.针对此问题,本文提出一种双通道结构光照明超分辨定量FRET成像系统和方法,通过在成像光路中加入FRET双通道成像和配准模块,实现了SISR-FRET激发发射通道的空分切换以及通道复用.结合通道亚像素配准校正的图像重建算法,双通道SISR-FRET可以在保持定量超分辨FRET分析的同时提升了3.5倍时间分辨率.利用搭建的多色SIM系统进行了活细胞表达靶向线粒体外膜FRET标准质粒的超分辨成像实验,验证了双通道SISR-FRET的时空分辨率增强和FRET定量分析的保真度.

关键词：荧光共振能量转移结构光照明超分辨活细胞

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结构光照明下的非相干自干涉数字全息成像

光电工程 2022年第7期49卷 71-79页

作者：郑梦杰杜艳丽黄松涛刘星李朴然马凤英弓巧侠郑州大学物理学院(微电子学院) 河南郑州450001

提出了一种采用结构光照明的迈克尔逊非相干数字全息成像系统,该系统利用空间光调制器SLM实现水平和竖直方向的余弦光栅照明模式,以提高成像系统的横向分辨率。利用MATLAB软件进行仿真成像和数值重建,得到了该系统下的高分辨率重建像,... 详细信息

提出了一种采用结构光照明的迈克尔逊非相干数字全息成像系统,该系统利用空间光调制器SLM实现水平和竖直方向的余弦光栅照明模式,以提高成像系统的横向分辨率。利用MATLAB软件进行仿真成像和数值重建,得到了该系统下的高分辨率重建像,从理论上证明了这一方法可以有效提高非相干数字全息系统的分辨率。搭建了相应的非相干光自干涉数字全息成像系统,通过对USAF1951分辨率板进行成像,从实验上进一步验证了基于结构光照明的超分辨成像方法对该成像系统的适用性。

关键词：非相干全息高分辨率结构光照明迈克尔逊干涉仪

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一种大视野超分辨结构光照明显微成像方法

仪器仪表学报 2023年第5期44卷 177-183页

作者：胡浩郜鹏西北工业大学航海学院青岛研究院西安710072 西安电子科技大学物理学院西安710126

近年来结构光照明显微术(SIM)在技术发展和应用方面都受到了广泛关注。然而,传统采用空间光调制器(SLM)进行条纹投影的SIM成像视野有限。为满足生物医学研究中高通量显微成像的需求,本文基于SIM开发一种基于激光干涉的大视野超分辨荧光... 详细信息

近年来结构光照明显微术(SIM)在技术发展和应用方面都受到了广泛关注。然而,传统采用空间光调制器(SLM)进行条纹投影的SIM成像视野有限。为满足生物医学研究中高通量显微成像的需求,本文基于SIM开发一种基于激光干涉的大视野超分辨荧光显微成像系统。将用于投射条纹图案的2D光栅和用于控制条纹方向相移的SLM相结合,突破数字投影设备对条纹数量和精细度的限制。开发一种空域重建超分辨图像的算法来提高成像速度。最后,搭建1套结构光照明荧光显微成像系统样机,在20×放大倍数和物镜NA 0.75的条件下,验证了本文方法的有效性,在分辨率提升至1.8倍的同时视野可达1380μm×1035μm,所述空域超分重建算法能够大幅降低计算耗时。

关键词：结构光照明超分辨大视野 2D光栅空域重建

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结构光照明显微空间域超分辨图像重建研究

光子学报 2022年第11期51卷 222-232页

作者：黄彩虹朱星星郭威易定容金福江黄磊华侨大学机电及自动化学院福建厦门361021 华侨大学信息科学与工程学院福建厦门361021 厦门大学生命科学学院福建厦门361102

以π/2相移间隔的结构光照明显微图像为输入,通过图像差分、数学推导及简化构建一个数学模型,在空间域直接解析得到超分辨图像。理论验证该模型可将传统显微的横向分辨率提高1倍,并可减少离焦背景干扰。在基于数字微镜器件的结构光照明... 详细信息

以π/2相移间隔的结构光照明显微图像为输入,通过图像差分、数学推导及简化构建一个数学模型,在空间域直接解析得到超分辨图像。理论验证该模型可将传统显微的横向分辨率提高1倍,并可减少离焦背景干扰。在基于数字微镜器件的结构光照明显微系统中,对荧光微球及牛肺动脉内皮细胞进行空间域超分辨重建实验,验证了算法的有效性。获得的超分辨效果与频域重建法相近,但图像重建速度快约5倍。该研究有助于扩展结构光照明显微的应用范围,对活细胞和组织的长时间在体监测具有良好的应用潜力。

关键词：结构光照明显微镜超分辨率图像重建空间域

结构光照明技术在二维激光诱导荧光成像去杂散光中的应用

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物理学报 2019年第21期68卷 295-301页

作者：闫博陈力陈爽李猛殷一民周江宁中国空气动力研究与发展中心

背景杂散光信号的干扰制约了激光片光成像技术的发展,本文将结构光照明技术应用到激光片光成像测量中来消除杂散光的干扰.介绍了基于结构光照明技术的工作原理和实验测量系统,基于Matlab软件理论分析了相位移动结构光照明技术具有完全... 详细信息

背景杂散光信号的干扰制约了激光片光成像技术的发展,本文将结构光照明技术应用到激光片光成像测量中来消除杂散光的干扰.介绍了基于结构光照明技术的工作原理和实验测量系统,基于Matlab软件理论分析了相位移动结构光照明技术具有完全消除杂散光的作用,并针对稳定罗丹明B溶液进行了二维激光诱导荧光成像实验,进一步验证了相位移动结构光照明技术具有消除杂散光影响、提高二维成像精确度的作用.最后利用基于锁相放大原理的结构光照明技术实现了非稳态扩散罗丹明B溶液的二维荧光瞬态成像实验,并分析了罗丹明B溶液扩散的相关规律.

关键词：结构光照明杂散光激光诱导荧光罗丹明B溶液

双通道结构光照明超分辨定量FRET成像系统

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物理学报 2023年

作者：罗泽伟武戈陈挚邓驰楠万蓉杨涛庄正飞陈同生华南师范大学生物光子学研究院教育部激光生命科学重点实验室华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室

基于结构光照明 (Structured Illumination， SI) 的超分辨荧光共振能量转移(Super Resolution Fluorescence Resonance Energy Transfer， SR-FRET) 成像技术(SISR-FRET) 可以通过解析活细胞内亚衍射区域的FRET信号来研究细胞器精细结构上的分子结构与功能。SISR-FRET成像中激发发射通道切换导致成像速度较慢，限制了SISR-FRET在快速成像中的应用。针对此问题，本文提出一种双通道结构光照明超分辨定量FRET成像系统和方法，通过在成像光路中加入FRET双通道成像和配准模块，实现了SISR-FRET激发发射通道的空分切换以及通道复用。结合通道亚像素配准校正的图像重建算法，双通道SISR-FRET可以在保持定量超分辨FRET分析的同时提升了3.5倍时间分辨率。利用搭建的多色SIM系统进行了活细胞表达靶向线粒体外膜FRET标准质粒的超分辨成像实验，验证了双通道SISR-FRET的时空分辨率增强和FRET定量分析的保真度。

关键词： FRET 结构光照明超分辨活细胞

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结构光照明并行物方差动快速测量方法研究

仪器仪表学报 2017年第12期38卷 2987-2993页

作者：刘志群易定容孔令华王文琪刘婷华侨大学机电及自动化学院厦门361021 闽江学院物理学与电子信息工程系福州350108 福建工程学院机械与汽车工程学院福州350118

激光扫描差动共聚焦显微测量方法具有纳米量级的轴向测量精度,然而信号在离焦位置获取,横向分辨率较低,而且使用激光逐点扫描方式,测量速度慢;基于空间光相位调制的结构光照明显微成像方法,可以实现超分辨率成像,但不具备高的轴向测量精... 详细信息

激光扫描差动共聚焦显微测量方法具有纳米量级的轴向测量精度,然而信号在离焦位置获取,横向分辨率较低,而且使用激光逐点扫描方式,测量速度慢;基于空间光相位调制的结构光照明显微成像方法,可以实现超分辨率成像,但不具备高的轴向测量精度,因此这两种方法都不能满足微纳加工过程中复杂物体微观表面形貌在线、在位测量的要求。将空间光相位调制结构光照明显微成像技术与差动轴向测量方法结合,提出基于结构光照明的并行物方差动快速测量方法。该方法只需要使用一台面阵相机做探测器,在结构光照明相位调制模式下,获取样品在焦前和焦后位置的相位图像并分别合成对应的焦前及焦后高分辨率图像I_A和I_B,对两幅图像进行求差而建立差动信号I_D,再根据预先刻度好的差动曲线就可以得出被测样品在各个位置的表面高度。使用该方法对500 nm步高、10μm周期的标准样品进行测量,标准差为2.8 nm,相对误差为0.6%,完成一幅包含2 048×2 048个位置的表面形貌测量耗时65 ms。测量实验结果表明,该方法可以进行快速、在线纳米量级高精度轴向测量,可以实现15/s次三维形貌纳米量级精度测量。

关键词：物方差动结构光照明空间光调制器三维形貌还原与测量