1 赋同量子科技（浙江）有限公司，浙江 嘉兴 314100
2 集成电路材料全国重点实验室，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050
自2001年被发明以来，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）迅速成长为近红外波段的明星光子探测器，其在近红外波段如1550 nm处系统探测效率超过95%，暗计数率低于1 cps（counts per second），时间抖动优于10 ps，探测速率高于1 GHz，并广泛应用在量子信息领域。近年来，研究人员开始将SNSPD引入到生物领域，以替代在近红外波段具有低信噪比、多后脉冲的半导体单光子探测器。本文将介绍SNSPD的探测原理和性能指标，并系统地阐述SNSPD在生物领域中的应用现状和发展前景。
超导纳米线单光子探测器 共聚焦显微镜 单线态氧检测 漫反射光谱 荧光寿命成像 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0104002
杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江省器官发育与再生技术研究重点实验室，杭州 311121
激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)是一种高分辨率的光学成像仪器，它利用“共轭成像”原理，获得的图片质量远超于普通荧光显微镜。LSCM有两组功能不同的针孔，即照明针孔和探测针孔，这是实现“共轭成像”的关键。由于照明针孔的大小和位置一般是固定的，LSCM主要通过调节探测针孔的大小来获得高质量的成像图片。然而，很多使用者对于LSCM中针孔大小与荧光成像质量的关联缺乏了解。因此，本文阐述了针孔在LSCM中的作用原理及其与显微镜分辨率的关系，并通过小鼠脊髓腹侧白质中的免疫荧光成像分析，发现针孔参数优化对提高LSCM荧光成像质量具有显著影响。这一发现将为LSCM成像分析提供重要参考。
激光扫描共聚焦显微镜 针孔 分辨率 荧光成像 成像分析 laser scanning confocal microscopy pinhole resolution fluorescence imaging imaging analysis
1 浙江大学 光电科学与工程学院 先进光子学国际研究中心, 浙江 杭州 310058
2 浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310058
共聚焦显微镜具有较高的空间分辨率和信号背景比，能对生物样品进行三维层析成像，在医学与生物学领域有着广泛的应用。近红外二区（NIR-II，900~1 880 nm）波段的光在生物组织中具有适中的吸收、较低的散射，以及非常弱的生物组织自发荧光，因此，NIR-II荧光活体成像具有大深度、高对比度等优势。点激发、点探测的NIR-II共聚焦显微技术结合了上述二者的优势，在大深度生物成像中具有高空间分辨率和高信号背景比等优点，因此在生物医学领域得到了广泛应用。此综述将从NIR-II共聚焦显微技术的原理出发，阐述其发展进程、以及基于此项技术开展的生物医学成像应用，探讨NIR-II共聚焦显微技术未来的改进和发展方向。
共聚焦显微镜 近红外二区 活体生物成像 confocal microscopy near-infrared II in vivobioimaging 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220494
1 天津工业大学 电子与信息工程学院，天津300387
2 天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津300387
3 天津医科大学眼科医院 眼视光学院，天津0084
4 国家眼耳鼻喉疾病临床医学研究中心天津市分中心，天津30038
5 天津市视网膜功能与疾病重点实验室，天津300384
6 北京大学人民医院眼科，北京100044
7 瑞达昇医疗科技有限公司，北京101100
通过拼接角膜神经图像可以减小显微图像视场小的影响。由于显微图像存在渐晕效果，拼接图像会在拼接处产生伪影，影响医生诊断。为解决拼接图像的渐晕伪影问题，提出了一种通过非线性多项式函数建模进行图像渐晕校正的方法。首先，对单张角膜神经图像建立渐晕模型，设置符合渐晕物理性质的约束条件，利用L-M优化算法对渐晕模型参数进行迭代优化。在每次迭代优化过程中，计算对数信息熵，对当前渐晕模型的校正效果进行判断，防止图像过度校正。迭代优化结束后，将渐晕模型反向补偿原图像，完成渐晕校正处理。通过对比校正前后的拼接图像，校正后图像在拼接处无明显的渐晕伪影。实验测试5组不同患者的图像，校正后图像MSE、PSNR、SSIM评估指标平均值分别达到0.004 2、72.225 1 dB、0.960 0，具有最佳的校正效果。本文算法的校正效果明显优于其他同类算法的校正效果。该方法能够有效地对角膜图像渐晕效果进行校正，无须提前设置固定的相机和环境亮度参数。校正后图像拼接效果良好，可获得更加准确、清晰、视野范围大的角膜神经拼接图像。
计算机视觉 角膜神经显微图像 渐晕校正 共聚焦显微镜 对数信息熵 computer vision corneal nerve microscopy images vignetting correction confocal microscope logarithmic information entropy 光学 精密工程
2022, 30(20): 2479
1 中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所，北京00095
2 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院， 北京100191
3 东莞材料基因高等理工研究院 应力测量技术研究所， 广东东莞52808
为了精确测量边缘产生凸起的超显微硬度压痕，采用高分辨率且能获得压痕三维形貌的激光扫描共聚焦显微镜，获得压痕边缘复杂的三维凸起结构。对压痕的三维形貌数据进行分析，利用压痕对角线方法提取压痕的4个角点，计算超显微硬度。然而，压痕对角线法并不能反映残余压痕的复杂结构，尤其是边缘凸起结构。在测量压痕三维形貌的基础上，为寻找更符合接触力学和压痕形成规律的压头与试样的接触面积，提出了基准平面的概念。通过对压痕面积函数进行微分，寻找最优的基准平面位置，既考虑压痕的边缘凸起，也能很好地反映接触面积。实验结果表明，通过接触力学规律寻找到的最优基准平面测量硬度，其测量误差小于±1.5%、稳定性小于1%。基准平面法可以稳定且准确地得到更符合硬度定义的硬度值。
共聚焦显微镜 凸起式 超显微硬度 接触力学 基准平面 confocal microscope pile-up ultra-micro hardness contact mechanics datum plane
1 浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
熔融石英光学元件的亚表面缺陷直接影响着其成像质量及激光损伤阈值等指标。相比缺陷的二维截面大小以及深度信息,亚表面缺陷三维轮廓及缺陷体积的定量检测结果可以用来更准确地评估熔融石英光学元件的加工质量。结合共聚焦显微镜的成像原理,使用共聚焦显微镜进行了熔融石英样品层析扫描实验。通过对亚表面缺陷图像特点的分析,提出了适用熔融石英元件亚表面缺陷的三维重建算法。提出的算法在亚表面缺陷重建效率与精度上均优于其他三维重建方法。根据重建后缺陷的统计结果,定量获得了熔融石英样品亚表面缺陷的完整三维信息。
材料 熔融石英 亚表面缺陷 三维重建 激光共聚焦显微镜
1 汕头大学医学院 a.中心实验室
2 汕头大学医学院 b.第一附属医院, 汕头 515041
研究不同分化的食管癌细胞Cx43蛋白的表达和空间定位及其对食管癌细胞的生物学行为的影响。应用合适的荧光探针和激光扫描共聚焦显微镜, 通过单粒子跟踪图像分析, 检测Cx43蛋白荧光团在食管癌细胞中的表达和分布。Cx43在高分化食管鳞癌EC9706中的分布与EC109细胞相似, 特别是细胞膜呈现明显的荧光团; 近细胞膜Cx43蛋白含量相对细胞质增高, 具有在细胞膜构建细胞通信的结构基础, 预示着细胞向良性发展的趋势。低分化食管鳞癌KY150细胞和食管癌SHEEC细胞中Cx43蛋白的荧光团主要分布在近核膜的细胞质中, 较少分布在细胞膜附近;近核膜的Cx43蛋白含量比近细胞膜的含量高, 说明Cx43蛋白在细胞质中的滞留状态。研究显示SPT图像可以直观地示踪Cx43蛋白荧光团在食管癌细胞中的分布, 从而确定Cx43蛋白在不同分化的食管癌细胞中表达及定位的痕迹。
食管癌 连接蛋白43 激光扫描共聚焦显微镜 荧光图像 单粒子跟踪 荧光团 esophagus cancer connexin43(Cx43) confocal laser scanning microscope fluorescence image single particle tracking fluorophores
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 吉林大学 机械科学与工程学院, 吉林 长春 130000
4 吉林亚泰中科医疗器械工程技术研究院股份有限公司, 吉林 长春 130000
5 吉林大学 中日联谊医院, 吉林 长春 130000
为了更好地实现无创、实时、动态的皮肤层析成像, 提高成像信噪比, 需要对反射式激光共聚焦系统性能进行全面的评价。在此引入结构函数进行变尺度波前评价。首先对结构函数的基本数学性质进行了推导, 着重分析了不同尺度的波像差在结构函数中的体现; 之后, 利用数值仿真对Zernike多项式进行了分析, 验证了结构函数对低阶像差的表征能力。由于显微镜在使用时必然需要穿过皮肤组织, 故在检测过程也需要考虑人体组织的影响, 分析了其对系统信噪比的影响; 最后, 对实际显微镜系统的波前进行了分析, 得到系统标校后的信噪比为95.7 dB, 验证了方法的正确性与可行性。通过变尺度评价方法, 可以对无创成像系统进行更加全面的评价, 并可以有效地指导类似设备的检测装调工作。
波像差 功率谱密度 共聚焦显微镜 结构函数 wavefront error power spectral density confocal microscopy structure function 红外与激光工程
2019, 48(3): 0317001
1 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
2 中国科学院大学, 北京 100049
皮肤反射式共聚焦显微镜是一种重要的皮肤影像学诊断工具, 其采用共振型振镜扫描成像会带来非线性畸变, 为校正这种畸变, 提出一种像素值反正弦过采样信号重建的RCM图像畸变校正方法, 对间距为20 μm的矩形光栅扫描成像实验表明, 在校正畸变前光栅图像间距的标准差为7.78 μm, 图像的畸变率达到38.9%, 经过像素值反正弦过采样信号重建后, 光栅图像间距的标准差缩小为0.85 μm, 畸变率缩小到4.2%。结合分辨率板和实际人皮肤成像情况, 表明文中提出的畸变校正方法能够较好地校正共振型振镜引起的图像畸变, 满足人皮肤实时无创影像学诊断要求。
共聚焦显微镜 共振型振镜 非线性畸变 confocal microscopy resonant galvanometer nonlinear distortion 红外与激光工程
2018, 47(10): 1041003
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
线扫描共聚焦成像技术基于共聚焦成像原理,使用线光束一维扫描照明样品以提高成像速率;通过共焦狭缝滤除样品成像光束中的非聚焦层面杂散光,提高成像分辨率和对比度;近年来,该技术因分辨率高、成像快、成像视场大、系统结构简单等优点而在生物医学成像中的应用越来越广泛。介绍了线扫描共聚焦成像技术的基本原理,列举了成像系统的主要参数及其影响因素,并举例说明了其在生物医学成像,尤其是眼底成像和生物组织细胞观察等方面的应用,最后总结了该技术的优缺点及其应用前景。
显微 线扫描共聚焦 共聚焦显微镜 眼底成像 生物医学成像 在体成像 激光与光电子学进展
2018, 55(5): 050003
