1 北京理工大学医学技术学院，北京 100081
2 北京理工大学自动化学院，北京 100081
3 中国船舶集团有限公司系统工程研究院，北京 100094
4 北京理工大学集成电路与电子学院，北京 100081
长时程细胞成像及分析在生物医学研究中具有重要意义。然而，由于荧光显微镜存在光漂白和光毒性等问题，其应用受到一定限制。非标记成像技术为克服这些限制提供了可行的解决方案。研究了干涉光谱分析技术作为解决非标记长时程活细胞监测问题的潜在方法，并提出了一种基于高光谱干涉重构的非标记定量显微成像技术。通过建立描述干涉信号的数学模型，设计样本定量重构算法，从而获取活细胞纳米结构和干质量分布的定量信息。系统采用自反射式干涉结构，不依赖复杂的光学调制元件，结构简单、操作便捷。此外，本文还在光学显微成像的基础上集成了具有细胞培养能力的微型细胞培养箱，实现了原位长时程成像。利用该系统，研究了不同细胞全细胞周期内的纳米结构定量和干质量变化，展示了本工作在生物医学领域的应用潜力。
计算成像 定量干涉 非标记成像 纳米级精度 原位细胞监测
戴太强 1,2,3,4马英 5杜宇轩 1,2,3,4侯燕 1,2,3,4[ ... ]孔亮 1,2,3,4,*
1 口颌系统重建与再生全国重点实验室，陕西 西安 710032
2 国家口腔疾病临床医学研究中心，陕西 西安 710032
3 陕西省口腔疾病临床医学研究中心，陕西 西安 710032
4 第四军医大学口腔医院颌面外科，陕西 西安 710032
5 西安电子科技大学物理学院，陕西 西安 710171
6 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
分离培养SD大鼠骨髓间充质干细胞，传代纯化后接种至共聚焦培养皿，置于自主研发搭建的平场定量相位显微镜下，利用荧光及相位双通道证实线粒体特征后，进行长时间无标记观察，分析平场定量相位显微镜观察到的线粒体分裂、融合过程，以及细胞凋亡过程中的线粒体变化。平场定量相位显微镜无标记观察到的线粒体可与荧光标记的线粒体完全重叠，表明平场定量相位显微镜可以清晰观察线粒体并进行无标记高分辨率成像。同时，平场定量相位显微镜可以对培养条件下的骨髓间充质干细胞进行长时间无标记观察，并高分辨率记录线粒体分裂、融合过程。此外，还利用平场定量相位显微镜首次完整记录了CCCP作用下线粒体的变化，该变化直观地呈现了线粒体途径的细胞凋亡过程。平场定量相位显微镜可以对培养的细胞进行长时间无标记高分辨率观察，为线粒体动力学的研究提供了一种新的观察手段。
无标记成像 平场定量相位显微镜 骨髓间充质干细胞 线粒体动力学 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618020
中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系，安徽 合肥 230026
光学薄膜广泛应用于光学仪器和测控技术中，充斥着我们生活的方方面面，使我们的生活更加丰富多彩。不同于常规的光学薄膜应用场景，本综述重点介绍如何将光学薄膜与光学显微成像结合起来。研究方案主要是：基于负载表面等离子体波的贵金属薄膜、具有光子带隙结构的介质多层薄膜，研制出应用于无标记显微探测的平面薄膜光子元件。得益于其平面结构特性与成熟的制作工艺，该类薄膜光子元件可兼容常规明场、宽场显微成像系统，可以作为被测样品的衬底或成像系统的插件。借助于薄膜与光波的近-远场相互作用特性，该器件可以调控系统的照明光场，如实现暗场照明、全内反射照明、边缘增强照明等。通过照明方式的改变，提升成像的对比度、探测灵敏度，进而发展出多模式、高灵敏度、高对比度、无标记光学显微成像与传感系统。为充分发挥该系统结构简单、宽场、高灵敏度、无标记成像的特点，将其应用于环境光子学领域，实现了真实大气环境中单个超细颗粒物吸湿增长过程的原位、实时、无损表征，有望为大气雾霾溯源与追因研究提供有力的科学支撑和技术工具。
薄膜光场调控，介质多层薄膜 贵金属薄膜 无标记显微探测 大气超细颗粒物 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618012
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 应用光学国家重点实验室，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
3 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
4 汕头市中心医院乳腺疾病诊疗中心，广东 汕头 515041
5 汕头市中心医院临床医学研究中心，广东 汕头 515041
三次谐波源于强脉冲激光照射样品时产生的三倍频光响应，可对生物组织实现无标记、亚细胞量级分辨率、近乎实时的成像。通过与二次谐波信号和双/三光子荧光信号相结合，三次谐波显微成像可在肿瘤术中揭示肿瘤组织的典型病理特征信息，比如细胞增生与血管增生等，从而为医生判断肿瘤边界进而做出肿瘤组织彻底切除与否的决策提供实时帮助。本文阐述了三次谐波显微成像的基本原理，讨论了它在肿瘤术中诊断方面的应用，探讨了基于三次谐波的小型化便携术中诊断仪器，并总结了三次谐波内窥成像的发展现状，这些内容的讨论有望推动三次谐波成像技术的临床化。
医用光学 三次谐波成像 无标记成像 肿瘤诊断 小型化 内窥成像
光学 精密工程
2023, 31(22): 3331
1 西安培华学院智能科学与信息工程学院，陕西 西安 710125
2 西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安 710021
3 西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500
为实现无标记样本的定量检测，借助NX12.0搭配相关器件自主设计了一款小型化相位显微镜。相较于市面上售价高昂的相位显微镜，所设计显微镜无需相干器件，且在满足系统分辨率的前提下，将体积缩小了约60%，大幅提高了便携性，同时成本仅需5000元左右。系统中还嵌入了自动对焦算法和基于变换域的视场校正算法，以加快检测速度和相位恢复的准确率。经测试，系统在10倍物镜下的分辨率达到了分辨率板极限2.19 μm，同时随机相位板的检测表明相位恢复的准确率也达到了基本需求。除此之外，还对活细胞结构和平面玻璃的缺陷进行了测试。结果表明，所提系统不仅能对活细胞进行较好的定量测量，还可以在透明/半透明平面缺陷的检测中发挥重要作用，更是证明了这种成本低、便携性高、可实现无标记样本定量的系统设计方案的可行性。
成像系统 相位显微镜 无标记检测 活细胞定量测量 平面缺陷检测 3D光固化技术 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2211005
1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 中国科学院大学，北京 100049
随着半导体产业的高速发展，集成电路制造中光刻工艺特征尺寸极限化微缩，套刻精度的要求也愈来愈极端严苛。本文基于影响套刻精度的核心技术，即对准技术，对该技术中精密测量传感系统的设计和微纳测量对象对准标记的设计两个方面进行了归纳分析，就业内国际顶尖科技公司的技术发展进行了整理，并详细介绍了他们在对准测量技术路径演化进程中所起到的推动作用。同时，还对当前国内各相关技术团队在该方向的最新研究成果进行了总结。以此为基础，进一步讨论了面向更为先进的工艺节点，光刻对准技术的改进方向和优化思路，从而为获得更高精度的套刻性能提供重要的技术参考。
集成光学 对准 标记 套刻 光刻 集成电路 光学学报
2023, 43(19): 1900001
1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 北京超弦存储器研究院，北京 100176
3 中国科学院大学，北京 100049
针对复杂结构对准标记仿真需求，联合严格耦合波法和分层近似法提出一种对准标记鲁棒性分析方法。利用该方法构建仿真模型：以晶圆质量和信噪比为评价函数，研究了标记槽深、槽宽、膜层厚度和侧壁对称变形等参数变化对标记鲁棒性的影响；以对准误差为评价函数，研究了侧壁非对称变形对标记鲁棒性的影响。并结合对准标记鲁棒性分析结果明晰了光刻机提升标记工艺适应性的策略。最后借助VirtualLab商业软件和实验平台，验证了分析方法的有效性和准确性。所提方法和给出的工艺适应性策略，对于对准标记设计优化和光刻机对准精度提升具有重要的理论意义和应用价值。
光刻 对准标记 严格耦合波法 分层近似法 鲁棒性 工艺适应性 光学学报
2023, 43(11): 1113002
杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310016
光标签交换（OLS）对基于分组的光交换是一种有吸引力的解决方案。标记比率调制（MRM）的方法是将标签信息叠加到载荷信息上。为了提高有效比特率，对标记比率调制进行了改进，将原来的四脉冲位置调制（4PPM）码改为一个新的5b8b码，使编码效率提高到了62.5%。同时，将偏振复用（PDM）与MRM结合使用，使比特率提高了一倍。标签接收器通过低速接收器直接接收来自偏振复用的标签信号，不需要使用偏振解复用，从而降低了成本。改进后的MRM在保持了MRM优点的同时，载荷的有效比特率比4PPM码的MRM提高了250%。仿真结果验证了改进的基于MRM的OLS的可行性。
光通信 光标签交换 标记比率调制 高编码效率 偏振复用
