郜鹏 1,2,3,*王文健 1,2,3,**卓可群 1,2,3刘欣 1,2,3[ ... ]郑娟娟 1,2,3
1 西安电子科技大学物理学院，陕西 西安 710171
2 复杂环境光电感知教育部重点实验室，陕西 西安 710171
3 陕西省高校功能纳米材料工程研究中心，陕西 西安 710171
定量相衬显微可以在无荧光标记的前提下实现对透明样品的高衬度、定量化相位成像，对活细胞及其动态过程观测具有重要意义。然而，传统的定量相衬显微需要记录3幅相移图像才能获得样品定量的相位图像，耗时较长。提出一种基于双通道卷积神经网络的定量相衬显微相位重建方法。该方法可以利用2幅相移图像获得样品的定量相位图像，将传统定量相衬显微的成像速度提高了1.5倍，重建速度提高了1个数量级。实验中，利用COS7细胞的数据对网络进行训练，该网络可以成功实现对3T3细胞的定量相位成像，说明该网络具有一定的泛化能力。该方法有望为活细胞以及亚细胞器互作网络的动态观测提供有力手段。
定量相位成像 部分相干照明 深度学习 卷积神经网络 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211011
1 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，陕西 西安 710119
2 西安电子科技大学物理学院，陕西 西安 710071
定量相位显微成像在工业检测、生物医学和光场调控等领域具有重要的应用价值。常用的定量相位显微成像技术通过干涉的方法来获取相位的定量分布，干涉装置的稳定性、光学衍射极限的限制、相位再现时的解包裹问题、激光照明下的相干噪声，以及动态观测过程中的样品离焦等因素都会影响定量相位显微成像的分辨率和精度。本文围绕高精度定量相位显微成像中的上述关键问题展开研究，通过构建物参共路的同步相移数字全息显微结构实现稳定的实时测量；采用结构光照明的超分辨相位成像方法实现对微小物体的超分辨相位成像；利用双波长照明将纵向无包裹相位测量范围扩大到微米量级；使用低相干LED照明解决相干噪声问题；提出了基于结构光照明和双波长照明的数字全息显微自动调焦方法，可以满足对不同类型样品的长时间跟踪观测。
定量相位显微成像 物参共路 结构光照明 相位解包裹 自动调焦
1 西安电子科技大学物理学院，陕西 西安 710071
2 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，陕西 西安 710119
光学显微具有对样品损伤低、可特异性成像等优点，是生物医学、生命科学、材料化学等多个领域中必不可少的成像手段。然而，传统光学显微镜多采用平行光照明整个样品，无法有效区分在焦信号和离焦背景，不具备三维层析成像能力。基于此，提出一种基于共振扫描的稀疏结构光照明三维层析显微（SSI-3DSM）技术，通过共振扫描聚焦光斑快速生成稀疏条纹结构光，利用多步相移减除背景噪声实现对待测样品的三维层析成像。相较于扫描宽场成像，该方法将轴向分辨率提升1.3倍，信背比提升12倍。此外，该技术性能稳定、成本较低、便于商业化开发，可与结构光照明、单分子定位等超分辨显微成像技术相结合以进一步提高横向分辨率。
成像系统 结构光照明显微 共振扫描 数字共聚焦显微 大深度成像 三维层析成像 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811016
结构光照明显微（SIM）具有成像速度快、对样品损伤小，以及对荧光标记物和标记程序无特殊要求等优点，成为研究活细胞结构和动态过程的重要成像手段之一。介绍了一种大视场、双模式（条纹/点阵）SIM显微技术。该技术结合二维光栅投影产生条纹/点阵结构光，空间光调制器选择条纹方向和实现相移，打破传统SIM中条纹数量受数字投影设备像素个数限制的瓶颈，同时保持了传统SIM成像速度快的优势。实验结果表明：该技术在20×/0.75数值孔径物镜下可获得690 μm×517 μm成像视场和1.8倍空间分辨率提升，其空间带宽积是传统SIM的3倍。该技术有望被应用于生物学、化学和工业等领域。
红外与激光工程
2021, 50(2): 20200530
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 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, 陕西 西安 710119
定量相位显微技术容易受到环境扰动的影响。如何克服环境扰动对量化相位成像的影响,一直是相位成像领域研究的热点。着重介绍了物参共路数字全息显微技术和单光束定量相位显微技术。前者主要包括斐索干涉显微、Mirau干涉显微、离轴和同轴点衍射干涉显微、双球面照明的数字全息显微和空间复用数字全息显微;后者主要包括共轴数字全息和基于平行光照明、超斜照明和多点离轴照明的定量相衬显微。希望该综述能为构建高稳定性、实用化定量相位显微装置提供有益参考。
全息 定量相位显微 数字全息显微 物参共路 高稳定性 相衬显微 激光与光电子学进展
2020, 57(20): 200001
1 西安电子科技大学 物理与光电工程学院, 陕西 西安 710171
2 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, 陕西 西安 710119
3 陕西师范大学 物理学与信息技术学院, 陕西 西安 710119
定量相位显微(Quantitative Phase Microscopy, QPM)将相位成像和光学显微技术相结合, 为微观物体的三维形貌、透明物体的厚度/折射率分布提供了一种快速、无损、高分辨率测量手段。然而, 传统QPM成像系统依然是一个衍射受限系统, 高分辨率与大视场难以同时兼顾。因此, 如何在保持大视场的前提下提高成像空间分辨率是QPM亟需解决的问题之一。近年来, 国内外学者采用离轴照明、散斑照明、结构照明、以及亚像元技术形成“合成数值孔径”, 实现了QPM的大视场、高分辨成像。文中对以上QPM的分辨率增强技术进行了综述, 并对不同方法的优缺点进行了分析。
相位成像 分辨率增强 调制照明 合成孔径 亚像元技术 phase imaging resolution enhancement modulated illumination synthetic aperture sub-pixel technology 红外与激光工程
2019, 48(6): 0603007
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China
2 Institut fur Technische Optik, Universitat Stuttgart, Pfaffenwaldring 9, 70569 Stuttgart, Germany
3 Department of Bioengineering, Clemson University, Clemson-MUSC Bioengineering Program, Charleston, South Carolina 29425, USA
When structured illumination is used in digital holographic microscopy (DHM), each direction of the illumination fringe is required to be shifted at least three times to perform the phase-shifting reconstruction. In this paper, we propose a scheme for spatial resolution enhancement of DHM by using the structured illumination but without phase shifting. The structured illuminations of different directions, which are generated by a spatial light modulator, illuminate the sample sequentially in the object plane. The formed object waves interfere with a reference wave in an off-axis configuration, and a CCD camera records the generated hologram. After the object waves are reconstructed numerically, a synthetic aperture is performed by an iterative algorithm to enhance the spatial resolution. The resolution improvement of the proposed method is proved and demonstrated by both simulation and experiment.
Digital holography Holographic interferometry Interference microscopy Phase measurement Photonics Research
2014, 2(3): 03000087
Author Affiliations
Abstract
Bessel beam propagation in scattering media is simulated using the angular spectrum method combined with slice-by-slice propagation model. Generating Bessel beams with a spatial light modulator, which provides a means to adjust flexibly the parameters of the Bessel beam, allows us to validate the simulation results experimentally. The study reveals that the self-reconstructing length changes oppositely with the axicon angle (i.e., the larger the axicon angle, the shorter the self-reconstructing length). The radius of the incident beam has little influence on the self-reconstruction of the Bessel beam central lobe.
260.1960 Diffraction theory 170.3660 Light propagation in tissues 290.7050 Turbid media Chinese Optics Letters
2013, 11(11): 112601
Author Affiliations
Abstract
Dual-channel phase-shifting interferometry for simultaneous phase microscopy is presented. Red and blue light beams are used for microscope illumination. A 45o tilted beamsplitter replicates the object and reference waves in red light together with the object wave in blue light into two parallel beams. The two resulting quadrature phase-shifting interferograms in red light and the object waves in blue light are generated in the two channels. The two interferograms are recorded simultaneously by a color charge-coupled device (CCD) camera, and can be separated via RGB components of the recorded color patterns without crosstalk. As a result, the phase of tested specimen can be retrieved. The feasibility of the proposed method is demonstrated by test performed on a microscopic specimen.
090.2880 Holographic interferometry 180.3170 Interference microscopy 120.3180 Interferometry 170.3880 Medical and biological imaging Chinese Optics Letters
2012, 10(1): 010901
