Author Affiliations
Abstract
1 Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China
2 Department of Precision Instrument, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Lens-free on-chip microscopy with RGB LEDs (LFOCM-RGB) provides a portable, cost-effective, and high-throughput imaging tool for resource-limited environments. However, the weak coherence of LEDs limits the high-resolution imaging, and the luminous surfaces of the LED chips on the RGB LED do not overlap, making the coherence-enhanced executions tend to undermine the portable and cost-effective implementation. Here, we propose a specially designed pinhole array to enhance coherence in a portable and cost-effective implementation. It modulates the three-color beams from the RGB LED separately so that the three-color beams effectively overlap on the sample plane while reducing the effective light-emitting area for better spatial coherence. The separate modulation of the spatial coherence allows the temporal coherence to be modulated separately by single spectral filters rather than by expensive triple spectral filters. Based on the pinhole array, the LFOCM-RGB simply and effectively realizes the high-resolution imaging in a portable and cost-effective implementation, offering much flexibility for various applications in resource-limited environments.
lens-free on-chip microscopy LED phase retrieval pinhole array 
Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 021101
作者单位
摘要
大连理工大学光电工程与仪器科学学院,辽宁 大连 116024
超分辨荧光显微镜突破了传统荧光显微镜的分辨率限制,使得人们能够在纳米量级分辨率下观察细胞和组织样品,极大地推动了生命科学的发展。在这一技术中,仪器和样品引入的像差均会导致空间分辨率降低,进而导致成像质量恶化。为此,人们引入了自适应光学技术,通过直接或间接的手段探测像差,再通过波前校正元件来校正像差,从而获得高质量的超分辨图像。本文介绍了自适应光学的起源与工作原理,总结了其在超分辨荧光显微镜中的应用,并展望了其未来的发展前景。
显微 荧光显微镜 超分辨 自动与自适应光学 像差补偿 波前传感 microscopy fluorescence microscopy super resolution active and adaptive optics aberration compensation wavefront sensing 
中国激光
2024, 51(3): 0307104
Author Affiliations
Abstract
University of Kassel, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Measurement Technology Group, Kassel, Germany
We present a unified electromagnetic modeling of coherence scanning interferometry, confocal microscopy, and focus variation microscopy as the most common techniques for surface topography inspection with micro- and nanometer resolution. The model aims at analyzing the instrument response and predicting systematic deviations. Since the main focus lies on the modeling of the microscopes, the light–surface interaction is considered, based on the Kirchhoff approximation extended to vectorial imaging theory. However, it can be replaced by rigorous methods without changing the microscope model. We demonstrate that all of the measuring instruments mentioned above can be modeled using the same theory with some adaption to the respective instrument. For validation, simulated results are confirmed by comparison with measurement results.
interference microscopy coherence scanning interferometry confocal microscopy focus variation microscopy electromagnetic modeling surface topography measurement 
Advanced Photonics Nexus
2024, 3(1): 016013
周笑 1,2,3左超 1,2,3,**刘永焘 1,2,3,*
作者单位
摘要
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室(SCILab),江苏 南京 210094
2 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室,江苏 南京 210094
3 南京理工大学智能计算成像研究院(SCIRI),江苏 南京 210019
随着生物医学研究对复杂组织结构和功能的深入探索,高分辨率、高信噪比的深组织成像技术变得愈加重要。传统的显微镜技术往往局限于二维、透明的生物薄样本的观测,这在很大程度上无法满足当前生物医学领域对三维深组织体成像的研究需求。光片荧光显微镜凭借其低光损伤、高采集速率、大视场、体成像等优点被生物学家广泛使用。然而,生物组织固有的高散射特性仍然为深层成像带来了巨大的挑战。本文重点介绍了光片荧光显微成像技术在深组织成像领域的最新进展,特别是应对高散射样本挑战的解决策略,旨在为相关领域的研究人员提供有价值的参考,助力其对该前沿技术的最新进展和应用前景的理解。首先,阐述了光片荧光显微镜的基本原理和高散射吸收特性的形成原因及影响;然后,进一步阐明了增加组织穿透深度、应对光散射和吸收等问题的最新进展;最后,探讨了具有大穿透深度和强抗散射能力的光片荧光显微成像技术的发展前景以及潜在应用。
荧光显微 光片照明 深组织成像 三维成像 光学散射 fluorescence microscopy light-sheet illumination deep tissue imaging three-dimensional imaging optical scattering 
激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211010
作者单位
摘要
1 浙江大学光电科学与工程学院,极端光学技术与仪器全国重点实验室,浙江 杭州 310027
2 浙江大学杭州国际科创中心,浙江 杭州 311215
荧光超分辨显微技术自20世纪90年代诞生以来,经历了多代创新与发展,其空间分辨率已经远超衍射极限,横向分辨率能够达20 nm以下,可以实现分子尺度的生物成像与动态追踪。新一代超高分辨率显微技术的产生得益于传统超分辨技术的深度发展和结合创新。详细介绍横向分辨率在亚20 nm尺度的新一代荧光超分辨显微技术,并阐述其与传统超分辨原理的联系与区别。此外,针对分辨率的限制因素,就光学系统、扫描策略和样品制备等方面进行探讨,并展望高分辨率荧光显微技术在生物医学领域中的应用前景和发展方向。
荧光显微 超分辨成像 调制照明 单分子定位 扫描策略 fluorescence microscopy super-resolution imaging modulated illumination single-molecule localization scanning strategy 
激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211004
吕超林 1,*†尤立星 1,2,**†覃俭 1徐光照 1[ ... ]史经浩 1
作者单位
摘要
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 superconducting nanowire single-photon detector confocal microscope singlet oxygen detection diffuse correlation spectroscopy fluorescence lifetime imaging microscopy 
激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0104002
Author Affiliations
Abstract
1 Istituto Italiano di Tecnologia, Molecular Microscopy and Spectroscopy, Genoa, Italy
2 Genoa Instruments, Genoa, Italy
3 University of Genoa, Dipartimento di Informatica, Bioingegneria, Robotica e Ingegneria dei Sistemi, Genoa, Italy
4 Istituto Italiano di Tecnologia, Nanoscopy and NIC@IIT, Genoa, Italy
Fluorescence confocal laser-scanning microscopy (LSM) is one of the most popular tools for life science research. This popularity is expected to grow thanks to single-photon array detectors tailored for LSM. These detectors offer unique single-photon spatiotemporal information, opening new perspectives for gentle and quantitative superresolution imaging. However, a flawless recording of this information poses significant challenges for the microscope data acquisition (DAQ) system. We present a DAQ module based on the digital frequency domain principle, able to record essential spatial and temporal features of photons. We use this module to extend the capabilities of established imaging techniques based on single-photon avalanche diode (SPAD) array detectors, such as fluorescence lifetime image scanning microscopy. Furthermore, we use the module to introduce a robust multispecies approach encoding the fluorophore excitation spectra in the time domain. Finally, we combine time-resolved stimulated emission depletion microscopy with image scanning microscopy, boosting spatial resolution. Our results demonstrate how a conventional fluorescence laser scanning microscope can transform into a simple, information-rich, superresolved imaging system with the simple addition of a SPAD array detector with a tailored data acquisition system. We expected a blooming of advanced single-photon imaging techniques, which effectively harness all the sample information encoded in each photon.
fluorescence lifetime image scanning microscopy digital frequency domain single photon 
Advanced Photonics
2024, 6(1): 016003
侯梦迪 1胡芬 1,**杨建宇 1董浩 1潘雷霆 1,2,3,4,*
作者单位
摘要
1 弱光非线性光子学教育部重点实验室,南开大学物理科学学院,泰达应用物理研究院,天津 300071
2 药物化学生物学全国重点实验室,南开大学生命科学学院,细胞应答交叉科学中心,天津 300071
3 南开大学深圳研究院,广东 深圳 518083
4 山西大学极端光学协同创新中心,山西 太原 030006
核孔复合物(NPC)是细胞核膜上由多种蛋白组装而成的复杂结构,在细胞核质交换和信息传递中起着关键作用。单分子定位超分辨成像(SMLM)以其特异性和高成像分辨率成为研究NPC超微结构的主要方法之一。然而,由于抗体标记不完全等因素导致的数据丢失,给后续分析带来了困难。笔者使用SMLM提供的定位信息,结合基于密度的空间聚类算法(DBSCAN)和层次聚类算法进行数据的提取和分类,建立了NPC筛选和定位的分析流程,并采用该处理流程得到了缺失较少且形貌比较均匀的核孔。进一步,基于最小二乘法原理对筛选得到的大量NPC进行质心对齐的重构处理,成功复现出了其经典的八重对称结构,并揭示了核孔蛋白Nup133与Nup98的精确相对位置关系。本研究通过建立核孔筛选和重构的标准流程,填补了SMLM数据的缺失。采用该流程对多种核孔蛋白进行分析,揭示它们的结构特性。所建流程为理解核孔的复杂结构提供了一种高通量的定量分析方法。
生物光学 超分辨成像 单分子定位 核孔复合物 聚类算法 重构 bio-optics super-resolution microscopy single-molecule localization nuclear pore complexes clustering algorithms reconstruction 
中国激光
2024, 51(3): 0307106
作者单位
摘要
1 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150080
2 北京大学未来技术学院,北京 100871
超分辨荧光显微镜突破了光学衍射极限造成的空间分辨率限制,使得生物学家能够在生命体和细胞具有活性的状态下,对其功能与结构进行高精度动态记录,有望揭示更多重要的生命现象细节。然而,由于超分辨荧光显微技术的成像视场、深度、分辨率、速度等不易兼得,所以解卷积作为一种最有效且直接的求解逆问题的框架,被广泛应用于增强超分辨显微镜的时空分辨率。研究人员聚焦于通过相应算法设计实现高质量显微图像的重建,在一定程度上克服了超分辨荧光显微镜的硬件限制,可以更好地恢复生物信息。本文首先介绍了解卷积方法的基本原理及其发展历程,接着列举了不同解卷积技术在不同模态下的重建原理和效果以及这些技术在生物学上的应用,最后总结了基于深度学习的解卷积方法在超分辨荧光显微镜技术上的最新进展和未来的发展潜力,并对包括傅里叶环相关的定量评估图像重建质量的方法的最新进展进行了阐述。
显微 解卷积 超分辨显微镜 活细胞成像 计算成像 荧光显微镜 microscopy deconvolution super-resolution microscopy live-cell imaging computational imaging fluorescence microscopy 
中国激光
2024, 51(1): 0107002
作者单位
摘要
深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,广东 深圳 518060
高时空分辨可视化技术是脑科学研究的重要工具。荧光显微成像技术在特异性、多样性、图像对比度和时空分辨率等方面具有显著优势,但由于光在组织中的穿透深度有限,无创的荧光成像难以在活体水平获取深层脑区神经血管单元的高分辨结构和功能信息。因此,在脑科学研究中,荧光内窥显微成像技术受到越来越多研究者的青睐。得益于相关科学技术的发展,内窥镜探头在保持高性能的同时,实现了小型化并提供了更大的灵活性,可以植入活体大脑的不同深度处,开展特定深层脑区的功能调控研究。本综述介绍了基于梯度折射率透镜和单根多模光纤这两种探头的植入式荧光内窥显微成像技术及其发展和迭代进程,概述了它们在高分辨活体脑成像研究中的应用,以及在临床神经外科手术中的初步探索性应用。最后,展望了荧光内窥脑成像技术未来的发展前景。
显微 荧光内窥显微成像 活体脑成像 梯度折射率透镜 多模光纤 microscopy fluorescence endoscopic microscopy in vivo brain imaging graded refractive index lens multimode fiber 
中国激光
2024, 51(1): 0107001

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