1 香港理工大学生物医学工程学系，中国 香港
2 香港理工大学光子技术研究院，中国 香港
3 香港理工大学深圳研究院，广东 深圳 518063
基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展，有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控，该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响，在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外，在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下，通过构建物理或深度学习模型，从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述，首先说明无透镜光纤成像的基础原理，并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法，接着介绍一些先进光纤成像模态和技术，列举光纤成像相关应用，最后分析该领域所面临的挑战，总结并展望其进一步发展方向和应用前景。
多模光纤 多芯光纤 波前整形 内窥成像 光学显微成像 深度学习 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618002
1 北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室，北京 100871
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
3 北京大学医学部医学技术研究院，北京 100871
光学衍射层析成像技术是一种新兴的对细胞和组织进行非侵入、无创伤、无标记快速三维成像的技术，在细胞代谢、病理和肿瘤诊断等方面都有很大的应用前景。传统的光学衍射层析成像技术视场范围较小，视野内仅有单个或数个细胞，难以直接观察到细胞间的相互作用，无法对散射较强的厚、大细胞进行成像，这在一定程度上限制了其进一步应用。针对视场范围较小的不足，提出了一种用满采集物镜的视场数的大视野光学衍射层析成像技术，可以获得更高的散射光子通量，提高成像质量，减弱伪影、振铃等边缘效应，视野内可以观测到多种状态的细胞和细胞间相互作用。结果表明，大视野光学衍射层析成像技术在兼具亚细胞分辨率和无标记活细胞长时程三维观测能力的同时，具有更大的视野、更小的边缘效应，生物应用前景更加广泛。
生物光学 光学显微成像 光学衍射层析成像 大视野
红外与激光工程
2022, 51(11): 20220735
南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
计算光学显微成像技术将光学编码和计算解码相结合，通过光学操作和图像算法重建来恢复微观物体的多维信息，为显微成像技术突破传统成像能力提供了强大的助力。这项技术的发展得益于现代光学系统、图像传感器以及高性能数据处理设备的优化，同时也被先进的通信技术和设备的发展所赋能。智能手机平台作为高度集成化的电子设备，具有先进的图像传感器和高性能的处理器，可以采集光学系统的图像并运行图像处理算法，为计算光学显微成像技术的实现创造了全新的方式。进一步地，作为可移动通信终端，智能手机平台开放的操作系统和多样的无线网络接入方法，赋予了显微镜灵活智能化操控能力与丰富的显示和处理分析功能，可用于实现各种复杂环境下多样化的生物学检测应用。文中从四个方面综述了基于智能手机平台的计算光学显微成像技术，首先综述了智能手机平台作为光学成像器件的新型显微成像光路设计，接下来介绍了基于智能手机平台先进传感器的计算光学高通量显微成像技术，然后介绍了智能手机平台的数据处理能力和互联能力在计算显微成像中的应用，最后讨论了这项技术现存在的一些问题及解决方向。
智能手机平台 计算光学显微成像 无线传输 即时检验 smartphone platform computational optical microscopy imaging wireless transmission point-of-care testing 红外与激光工程
2022, 51(2): 20220095
1 中国科学技术大学 生物医学工程学院，安徽合肥230026
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 江苏省医学光学重点实验室， 江苏苏州15163
传统显微成像一般记录样本的强度信息，对于半透明或相位组织成像对比度较差。为实现相位组织非荧光标记成像，采用线扫描共聚焦全息成像方法，在线扫描共聚焦成像的基础上增加一路参考光，在共聚焦狭缝处形成离轴像面数字全息，通过控制样本的移动实现对样本的扫描，将获得的干涉线合成为二维全息图，通过频域滤波的方式获得振幅与相位分布，采用相邻剖面相似的特性校正环境振动引起的相位横纹，并且通过多区域扫描拼接实现大视场全息成像。对USAF1951分辨率板进行线扫描共聚焦全息成像，采用抖动校正算法，使本实验重建相位图中的抖动横纹降低了84.7%，获取3个子区域图，通过图像拼接达到1 160 μm×1 043 μm的成像视场，扫描更多的子区域可以获取更大的视场，并且对洋葱表皮细胞实现共聚焦相位成像。实验结果表明了该线扫描共聚焦全息成像方法可以实现对半透明样本的大视场相位成像，为相关仪器研制提供了指导与依据。
数字全息 光学显微成像 线扫描共聚焦 扫描拼接 大视场 digital holography optical microscopy line-scanning confocal scanning splicing large field of view
哈尔滨工业大学 物理学院, 黑龙江 哈尔滨150001
艾里光束具有无衍射、自修复和自加速的传播特性, 在光操控、非线性光学、光学成像等领域受到关注。本文介绍利用空间光调制器所构建的4f系统产生和调控艾里光束的方法。通过调控艾里光束的自弯曲传播点扩散函数, 设计并实现了艾里光束三维重建显微镜, 研究了该显微镜的成像性能, 在40×/0.75 NA物镜下实现了横向分辨率约为0.5 μm, 轴向分辨率约为1.5 μm, 并实现了小鼠肾细胞中肾小管10 μm深度的三维无扫描双色成像。
艾里光束 三维成像 光学显微成像技术 Airy beam 3D imaging optical microscopy technology
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
3 中国科学院 磁性材料与器件重点实验室 & 功能材料与纳米器件事业部,浙江 宁波 315201
为了表征上转换纳米荧光微粒的发光特性, 设计了一个可以对单个纳米微粒进行荧光寿命测量的系统。该系统首先使用基于检流计振镜的双光子显微镜系统对单分散状态的上转换纳米微粒样品进行扫描成像。然后, 通过单分子荧光纳米定位算法精确找出每个纳米微粒的准确位置, 再依次将激光聚焦到每个纳米微粒上, 在该点施加一个500 μs宽度的激光脉冲, 并通过光电倍增管探测随时间变化的荧光强度信号。最后对荧光衰减曲线进行拟合,计算得到该纳米微粒的荧光寿命。实验结果表明: 单个上转换纳米荧光微粒的荧光发射曲线符合单指数衰减规律, 其荧光寿命为195.3 μs。与之相比, 聚集状态的纳米微粒的荧光寿命为358.9 μs。这表明聚集状态对上转换纳米微粒的发光特性有显著影响。
光学显微成像 上转换纳米荧光微粒 荧光寿命 双光子显微镜 optical microscopy up-conversion nanoparticles fluorescence life time two-photon microscope
Author Affiliations
Abstract
1 Physics Department of Xuzhou Normal University, Xuzhou 221009
2 Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju, South Korea
3 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800
A new three-dimensional (3D) optical fluorescent tomographic imaging scheme is proposed with structured illumination and spatial Fourier-domain decomposition methods for the first time. In this spatial Fourier-decomposition optical fluorescence tomography (SF-OFT), the intensity of focused excitation light from an objective lens is modulated to be a cosine function along the optical axis of the system. For a given position in a two-dimensional (2D) raster scanning process, the spatial frequency of the cosine function along the optical axis sweeps in a proper range while a series of fluorescence intensity are detected accordingly. By making an inverse discrete cosine transformation of these recorded intensity profiles, the distribution of fluorescent markers along the optical axis of a focused laser beam is obtained. A 3D optical fluorescent tomography can be achieved with this proposed SF-OFT technique with a simple 2D raster scanning process.
光学层析成像 相干光显微镜 荧光成像 光学显微成像 110.0110 Imaging systems 070.0070 Fourier optics and signal processing Chinese Optics Letters
2008, 6(9): 665
