基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微研究

超分辨结构光照明显微成像技术(super-resolution structured illumination microscopy,SR-SIM)具有时间分辨率高、光漂白和光毒性低和对荧光探针的要求少等优点,适用于活细胞的长时程超分辨成像.采用二维晶格结构光作为照明光,可以实现更快的成像速度和更低的光毒性,但同时也增加了系统的复杂性.为了解决此问题,本文提出了一种基于数字微镜器件的快速超分辨晶格结构光照明显微成像方法(digital micromirror device-based lattice SIM,DMD-Lattice-SIM),通过同步分时触发DMD和sCMOS相机的方式实现二维正交晶格结构光的产生,且只需要采集5幅相移原始图像即可重构出超分辨图像,相比于传统SR-SIM需要9幅相移原始图像的方法,图像采集时间减少了约44.4%.同时,在基于空域和频域联合的SIM重构算法(joint space and frequency reconstruction method-SIM,JSFR-SIM)的基础上,本文还发展了用于Lattice-SIM的JSFR超分辨图像重构方法(Lattice-JSFR-SIM),先在频域对原始图像进行预滤波处理;然后,在空域对滤波后的图像进行超分辨重构处理.与传统频域图像重构处理对比,该方法在512×512像素数的成像视场下重构时间减少了约55.6%,对于实现活细胞实时超分辨成像具有重要意义和应用价值.

结构光照明光切片显微图像的高保真重构方法

光切片图像的质量与使用的重构算法直接相关,传统的均方根算法虽然简洁,但在原始图像信噪比和条纹对比度不高时重构效果不佳,得到的三维重建结果并不理想。针对该问题,提出一种去背景和去卷积相结合的光切片方法。与传统均方根算法相比,该方法能有效减少残留条纹,提高微小细节的可见性。实验搭建了一套基于数字微镜器件的结构照明显微系统,以小鼠肾脏细胞、牛肺动脉内皮细胞等为样品进行了光切片实验。实验结果表明,该方法能获得更好的光切片和三维成像效果。

结构光照明层析多样性表面形貌测量

围绕散射表面和复杂微结构表面形貌高精度测量需求,对基于结构光照明的表面形貌测量技术与系统进行了研究,设计了基于科勒照明结合数字微镜器件调制的具有良好结构光对比度和均匀性的结构光照明光学系统,提出了基于高斯曲线插值的虚拟狭缝SlitMask结构照明共焦层析算法与基于迭代高斯拟合的峰值提取重建算法,建立了结构光照明表面形貌测量系统,利用单刻线对系统进行准确性与重复性测试,结果表明相对示值误差为1.87%,重复测量结果的标准差为0.0014μm。对玻璃多刻线样板和车削表面进行测试,验证了本系统不仅可用于反射表面的测量,还对散射表面具有较好的测量能力。

一种大视野超分辨结构光照明显微成像方法

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。

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

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.

虚拟结构光照明双光子荧光显微成像

结构光照明单光子荧光超分辨显微成像技术已经成为生命科学研究的重要手段.为提高荧光显微成像技术的分辨率与成像深度,提出虚拟结构光照明双光子荧光超分辨成像方法,建立虚拟结构光照明双光子荧光超分辨成像理论模型,并分别对Lena图像和100 nm荧光珠进行模拟成像实验.结果表明,系统的空间分辨率提高了1.95倍.这项超分辨成像技术既具有双光子荧光成像的光学切片能力与成像深度大的优点,还具有虚拟结构光照明超分辨成像的能力,对高散射的厚生物样本甚至活细胞动态超分辨成像具有重要的潜在应用价值.

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

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.

结构光照明技术在瑞利散射成像去杂散光应用中的研究

激光片光成像技术在流场测量领域的应用前景十分广阔,但该类测量技术在实际测量中都会受到杂散光或背景光干扰的影响,降低了光学成像质量。因此,开展了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干扰的研究。结构光照明技术是一种新型的杂散光抑制方法,可以将原始图像数据分为有效信号和杂散光(来自于激光片光焦平面外的干扰光)两部分,在后期数据处理中,有效信号会保持不变,而杂散光会因为空间频率不同而被剔除掉。首先,基于Matlab软件理论分析了该类方法消除杂散光的作用;其次,设计了一套应用于瑞利散射成像的结构光照明测量装置,主要由连续激光器、Ronchi光栅和EMCCD相机组成,其中Ronchi光栅用于产生正弦光强分布的激光片光。最后利用该测量装置在McKenna平面火焰炉上开展了瑞利散射图像测量实验,验证了结构光照明的方法具有消除杂散光影响、提高瑞利散射图像精度的作用。

基于数字微镜装置的结构光照明层析成像(英文)

在结构光显微系统中使用可编程数字微镜装置代替压电驱动的光栅,产生稳定可靠的结构光照明.为避免数字微镜装置本身的像素化结构对成像的影响,系统中引入一个低通的空间光调制器,以滤除经过数字微镜装置后产生的高级(±2nd及以上)衍射光.此时在样品上形成的结构光不再是单一频率的余弦光栅图案,传统结构光显微成像中通过光栅3步相移成像获得层析图像的方法不再适用.新算法通过5步相移得到5幅源图像,也可重构出层析图像.结果表明,传统荧光图像中几乎不能分辨的某些精细结构,在重构的层析图像中能够清晰地分辨出来.

结构光照明并行物方差动快速测量方法研究

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。

基于希尔伯特变换的结构光照明快速三维彩色显微成像方法

结构光照明显微是一种宽场显微技术,可以实现超分辨成像和三维光切片成像.基于HSV(色相、饱和度、明度)彩色空间的结构光照明全彩色三维光切片成像技术可以复原样品表面的真彩色信息,但每一层光切片都需要采集3幅固定相移差的原始图像,这对于需要多视场拼接的大尺寸样品而言,图像采集数据量大、图像重构时间长的缺点就凸显出来.鉴于此,本文提出一种基于希尔伯特变换的结构光照明快速三维彩色显微成像方法,只需在样品的每一层采集2幅原始图像便可以重构出该层的全彩色光切片图像,因此图像采集量减少了1/3,图像重构时间节约了约28%,有效提高了彩色三维成像的效率和速度.

结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望

结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy,SIM)通过结构化照明在频率域以空间混频的方式将物体高频信息载入光学系统的探测通带内实现突破衍射极限的超分辨光学显微成像。SIM凭借其较低的激发光强、对荧光染料的非特异性需求以及快速的宽场成像优势已成为活细胞超分辨光学显微成像方面应用最多的技术。本文系统回顾了SIM的技术进展,对SIM的基本原理与实现方法进了详细的分析,重点介绍了本课题组研发的基于光谱分辨的单光子激发超分辨显微镜和结合自适应光学的双光子激发超分辨显微镜这两种最新的SIM技术,最后简要讨论了SIM技术在生物成像中的应用及未来发展方向。

基于相移结构光照明的浮雕成像技术研究

详细介绍了一种基于相移结构光照明的浮雕成像技术,对该成像技术的原理和成像特性进行了实验研究,并采用相移结构光照明的方法实现彩色浮雕成像。实验中,将多幅相移正弦条纹光场斜投射到被拍摄物体上,数码相机依次拍摄被照明的物体,再利用拍摄到的多幅相移图像,通过计算的方法重建出所需要的图像。理论分析和实验结果表明,相移结构光照明成像技术能有效地消去环境不均匀光照的影响,获取的反射率分布图像只与结构光照明有关,突显了斜投射照明所形成的阴影,图像的明暗变化反映出物体表面的法线变化,因而在视觉上形成了明显的浮雕效果。

表面等离激元结构光照明显微成像技术研究进展

结构光照明显微成像技术(SIM)因其高分辨、宽场、快速成像的优势,在生物医学成像领域发挥了不可估量的作用.结构光照明显微成像技术与动态可控的亚波长表面等离激元条纹相结合,可以在不借助非线性效应的情况下,将传统SIM的分辨率从2倍于衍射极限频率提升到3 4倍,此外还有抑制背景噪声、提升信噪比的能力,在近表面的生物医学成像应用中有重要价值.本文介绍了表面等离激元结构光照明显微成像技术的原理,并总结了近几年国内外的相关研究进展.

结构光照明显微空间域超分辨图像重建研究

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。

结构光照明显微镜照明系统的设计与仿真

结构光照明显微镜是一种结合结构照明技术与宽场成像原理实现表面形貌测量的新工具。为方便调节物面光强和照明视场大小,并保证结构光条纹的均匀性,基于科勒照明原理提出利用成品透镜与无限远物镜,并结合数字微镜阵列(DMD)设计结构光照明显微镜照明系统的方法。通过Zemax软件建立设计模型进行仿真分析,验证了该方法设计的结构光照明系统投射到物面光照的均匀性。

结构光照明显微镜的实验教学设计

结构光照明显微成像技术具有超高分辨率、对样品光损伤小、拍摄速度快等优点,被广泛用于细胞内精细结构、蛋白精确定位、活细胞动态观测等科学研究中。在实验教学中加入大型精密仪器结构光照明显微镜DeltaVision OMX SR的内容将增强教学的实用性和应用性。在实验教学设计中重视理论课程教学,通过小组教学、开放性实验等方式培养学生动手和独立思考的能力,培养学生的创新意识,帮助学生提升综合实验能力。

结构光照明显微镜重建算法研究进展

作为现代超分辨成像技术的早期组成部分,结构照明显微镜(SIM)已经发展了近20年。其近期在活细胞中实现了高达60 nm和564 Hz的最佳时空分辨率组合,但也存在一些源于内在重建过程的缺点。本文综述了SIM技术的最新进展,包括超分辨率(SR)重建算法、性能评估及SIM与其他成像技术的集成,以便为生物学家提供实用指导。

结构光照明下的非相干自干涉数字全息成像

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。

动态过程三维面形测量的频闪结构光照明系统设计

在动态过程三维面形测量中,将频闪效应与三维面形测量技术相结合,提出了一种采用短脉冲频闪光投影结构光场到动态过程表面的频闪结构光照明系统,完成了该频闪结构光照明系统的核心部件——频闪同步控制单元的设计,建立一个将物体运动、频闪结构光照明和图像采集系统三者之间严格同步工作机理,为动态过程的面形变化研究提供了一个理想使用的照明系统。