1 中国科学技术大学 生物医学工程学院(苏州) 生命科学与医学部, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
现代生物学和生物医学领域迫切需要研制兼顾大视场、高分辨率的显微成像技术和仪器以对生物样品实现跨尺度观测,满足重大科学问题的研究需求。受限于系统的空间带宽积,传统商业显微镜无法满足这一需求,且现有高空间带宽积显微成像系统存在体积庞大、实施成本高昂等问题。本文基于HiLo光切片技术和自主设计的大视场高分辨显微物镜,研发了具有高空间带宽积特点的大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统,测试了系统的成像视场和分辨率。应用该系统对小鼠脑切片开展了白光照明明场成像实验,并与OLYMPUS商业显微镜成像结果做了对比;对小麦种子荧光切片开展了光切片成像和宽场荧光成像对比实验。实验结果表明, 大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统的成像视场达到4.8 mm×3.6 mm (对角视场为6.0 mm),横向分辨率达到0.74 μm,轴向分辨率达到4.16 μm。大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统兼有大视场和高分辨率成像的优势和快速光切片成像的能力,能够对大体积生物样本开展快速三维成像,将为胚胎发育、脑成像、数字病理诊断等研究提供有力的技术支撑。
大视场 高分辨率 高空间带宽积 光切片显微技术 wide field of view high resolution high space bandwidth product optical sectioning microscopy
Author Affiliations
Abstract
1 University of California, Department of Bioengineering, Los Angeles, California, United States
2 University of Arizona, James C. Wyant College of Optical Sciences, Tucson, Arizona, United States
3 University of Connecticut, Department of Biomedical Engineering, Storrs, Connecticut, United States
4 University of Connecticut, Department of Electrical and Computer Engineering, Storrs, Connecticut, United States
5 Boston University, Department of Electrical and Computer Engineering, Boston, Massachusetts, United States
Optical imaging has served as a primary method to collect information about biosystems across scales—from functionalities of tissues to morphological structures of cells and even at biomolecular levels. However, to adequately characterize a complex biosystem, an imaging system with a number of resolvable points, referred to as a space-bandwidth product (SBP), in excess of one billion is typically needed. Since a gigapixel-scale far exceeds the capacity of current optical imagers, compromises must be made to obtain either a low spatial resolution or a narrow field-of-view (FOV). The problem originates from constituent refractive optics—the larger the aperture, the more challenging the correction of lens aberrations. Therefore, it is impractical for a conventional optical imaging system to achieve an SBP over hundreds of millions. To address this unmet need, a variety of high-SBP imagers have emerged over the past decade, enabling an unprecedented resolution and FOV beyond the limit of conventional optics. We provide a comprehensive survey of high-SBP imaging techniques, exploring their underlying principles and applications in bioimaging.
space-bandwidth product bioimaging gigapixel imaging high resolution wide field of view Advanced Photonics
2021, 3(4): 044001
清华大学 精密仪器系 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
为满足高分辨率真三维大数据显示的空间带宽积要求, 提出一种基于多通道角度复用模式的体全息三维显示技术。通过对三维场景进行波前编码, 获得相位计算全息图, 并将计算全息图依次按照不同角度复用记录到掺杂金纳米颗粒体全息光致聚合物材料的同一区域, 获得复用体全息图, 再现时可以在不同角度观察三维场景。在体全息三维显示实验系统中, 实现体全息材料记录区域的单点像素总数为120×1 920×1 080, 显示的空间带宽积达到了2.5×108, 相对于空间光调制器显示提升了120倍。
信息光学 全息显示 复用技术 空间带宽积 体全息 information optics holographic display multiplexing space-bandwidth product volume holography
厦门理工学院 光电与通信工程学院 福建省高校光电技术重点实验室,福建 厦门 361024
通过分析两步法制彩色全息图中全息图空间带宽积与物体大小、全息图记录距离的关系,提出了一种拍摄大尺寸物体彩色全息图的方法。经编码,设置参数,在视窗处平面记录下三分色全息图, 以保证用最小的幅面记录下物体的完整信息,并且H1rgb处于同一平面经原参考光的共轭光再现时,他们的再现像能完全重合; 将H1rgb再现,获得大视场的物光波信息,三基色物波信息重合后,用光学方法记录大幅面的彩色全息。该方法能提高全息图再现像的视场和解决大尺寸物体的全息图难拍摄问题。 经实验验证,该方法能将全息图再现像的视场提高6倍左右。
信息光学 全息 大视场 空间带宽积 空间频率 information optics hologram large FOV space-bandwidth product spatial frequency
华南师范大学 信息光电子科技学院, 广州 510006
为了提高显微数字全息系统的分辨率和重构速度, 从空间带宽积的角度出发, 分析了菲涅尔再现算法的使用范围。结果显示, 记录系统只要满足空间带宽积的条件, 使用菲涅尔再现算法可以同时接近极限分辨率和快速再现;同时, 短记录距离无透镜傅里叶变换光路是一种能满足此空间带宽积条件的系统配置。重要的是, 在短记录距离, 也能用菲涅尔再现算法重构待测物体复振幅。此外, 通过对比细分菲涅尔再现算法和细分卷积算法, 两者的重构分辨率都可以得到提升, 而细分菲涅尔再现算法在大数值孔径的重构中, 所使用的内存和计算时间远远小于细分卷积再现算法。
数字全息 空间带宽积 快速算法 分辨率 digital holography space bandwidth product fast algorithm resolution
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
宽视场高分辨成像在航空侦察、地形测绘和安全监控等领域有广泛的应用。主要从光学设计角度归纳总结了实现宽视场高分辨成像的技术难点,阐述了透镜系统的比例法则。将比例法则推广到计算成像领域,证明计算成像的方法可以在更小的相机尺寸时获得更高的分辨率。在此基础上,重点阐述了一种可行的宽视场高分辨成像的实现途径:同心多尺度光学系统的设计方法。介绍了当前研制成功的基于同心多尺度理论的宽幅相机,并对它们的性能进行了分析比较,讨论了同心多尺度相机面临的技术挑战。
成像系统 计算成像 宽视场高分辨 同心多尺度 像差 空间带宽积 激光与光电子学进展
2013, 50(3): 030006
提出近场衍射图样的抽样定理处理方法。 在近场衍射中, 孔径和衍射场分布为或近似为空间有界物, 在其频域中抽样可以比较精确地恢复衍射场的分布。 衍射场频谱带宽的近似值由频谱的幅值大于中心频谱极大幅值的1%的频率范围所确定。 在此带宽内对频谱抽样, 抽样间距与观察处的带宽成正比, 与孔径函数的空间带宽积成反比。 对于线度小于波长的狭缝和圆孔的近场衍射图样的计算结果都与他人理论和实验结果相一致。 该方法具有直观简捷的优点。
抽样定理 近场衍射 空间带宽积
State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Department of Precision Instruments, Tsinghua University, Beijing 100084
space-bandwidth product diffractive optical element harmonic diff ractive optical element Chinese Journal of Lasers B
1998, 7(5): 413