南方科技大学生物医学工程系,广东 深圳 518055
由于衍射极限的存在,传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术,为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高、成像范围大和成像时间短等特点,在生物医学领域广泛用于观察和分析复杂的生物结构和功能。从基于硬件扫描的拼接成像技术、基于大面阵sCMOS的大视场高通量成像技术、大景深单分子定位成像技术、高通量数据分析技术4个方面回顾近年来大视场高通量单分子定位技术的研究进展。最后,对大视场高通量单分子定位成像技术的发展方向进行展望。
高通量 大视场 单分子定位显微镜 超分辨成像 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618004
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院,上海 201203
干涉测试是一种高精度的表面形貌无损测量方法。通常情况下,单色光干涉测试以激光作为光源,采用缩小成像方案测量表面面形。宽带光干涉测试能够有效避免单色光干涉测试时的2π相位模糊问题,常与显微成像技术相结合,测量阶跃型结构的表面微观形貌。当阶跃型结构样品的横向尺寸较大时,宽带光显微测试需要采用拼接手段,降低了测量效率。本文提出了一种缩小成像的宽带光干涉仪,该仪器可用于大尺寸阶跃型表面的形貌测量,其工作波段为480~750 nm,采用1 inch探测器形成了47.60 mm×35.76 mm的测量视场。系统组成包括照明准直镜、干涉腔和成像镜。照明准直镜采用科勒照明方案,可以提供数值孔径NA=0.015、视场直径Φ=59.6 mm的均匀照明物方视场;干涉腔集合了Mirau型等光程干涉与Fizeau型无中心遮拦的优势,由倾斜1.5°的分光平板和倾斜3°的参考平板组成;成像镜与准直镜形成双远心成像光路,成像放大率为0.25×,在宽谱段范围内的畸变校正达到0.24%。采用构建完成的宽带光干涉仪测试了USAF1951分辨率板,系统分辨率可达14 lp/mm;测试了校准高度分别为7.805 μm和46.554 μm的台阶板,对阶跃型结构测量的高度偏差优于0.4%。
测量 形貌干涉测量 宽带光 大视场 光学设计 中国激光
2023, 50(18): 1804001
红外与激光工程
2023, 52(7): 20220878
1 长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春 130022
2 中国移动通信集团吉林有限公司长春分公司,吉林 长春 130022
设计了一款能实现全天候清晰成像的全景监控摄像光学系统。采用全景环带结构形式,该结构分为摄像头部单元和中继透镜单元两部分,摄像头部单元完成全视场目标搜索,中继透镜单元将头部单元所成的中间虚像进行二次成像会聚到探测器上。设计时采用多重结构优化方式,实现可见光及近红外双波段成像。该光学系统视场为360°×(40°~100°),焦距为?2.75 mm,F数为3.28。设计结果表明:系统的MTF(modulation transfer function)值在全视场处接近衍射极限,各个视场的弥散斑半径均小于所选CCD像元尺寸,畸变小于2 %,且日夜离焦量小于0.002 mm,该设计结果可满足全天候全景监控需求。
全景环带镜头 宽波段 大视场 光学系统设计 panoramic annular lens wide band large field of view optical system design
东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东 东莞 523808
胶囊内窥镜具有体积小、续航时间长、无疼痛等优势, 被广泛应用于人体内部空间的观察。但传统的胶囊内窥镜存在观察范围小、成像相对照度较低、图像质量较低等缺点。设计了一款成像范围大、相对照度高、分辨率高的胶囊内窥镜镜头, 镜头视场角(FOV)为150°, F数为2.8, 总长度小于6 mm, 平均视野中相对亮度超过90%。调制传递函数(MTF)在200 lp/mm时超过30%, 并且镜头仅用了5片球面镜, 结构紧凑, 解决了传统的胶囊内窥镜的劣势, 利于医护人员对病情进行准确的判断。
胶囊内窥镜 大视场 光学设计 像差 分辨率 capsule endoscope large field of view optical design aberration resolution
1 曲阜师范大学网络空间安全学院,山东 济宁 273100
2 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像研究中心,广东 深圳 518055
3 香港理工大学生物医学工程系,香港 999077
4 香港理工大学深圳研究院,广东 深圳 518055
双光子成像技术已被广泛应用于活体肿瘤成像、神经功能成像以及大脑疾病研究等领域,但双光子成像视场较小(视场直径一般在1 mm以内),限制了其进一步应用。虽然通过特殊的光学设计或者自适应光学技术能够有效增大视场,但复杂的光路设计、高昂的器件成本以及繁琐的操作过程限制了这些技术的推广。提出了一种利用深度学习技术替代自适应光学技术扩展双光子成像视场的新思路,在低成本(无须特殊物镜,无须相位补偿装置)、易操作的前提下实现了大视场双光子成像。设计了一种适用于光学显微系统中扩展双光子成像视场的nBRAnet网络框架,为使该网络框架可以更好地利用特征图信息,在该框架中引入残差模块和空间注意力机制,同时去除了数据归一化处理,以增加图像对比度信息。实验结果表明:所提深度学习方法可以有效地代替自适应光学技术,增强扩展视场中的精细结构特征,并恢复扩展视场的成像分辨率和信噪比,使双光子成像视场直径扩展到3.46 mm,峰值信噪比超过27 dB。深度学习方法具有成本低、操作简单、图像增强效果显著等特点,有望为跨区域脑成像或全脑成像提供一种经济实用的方案。
显微 深度学习 自适应光学 大视场 双光子成像