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间光调制器在点扩散函数(PSF)工程中的应用一、引言2014年诺贝尔化学奖揭晓,美国及德国三位科学家Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner获奖。获奖理由是“研制出超分辨率荧光显微镜”,从此人们对点扩散函数(PSF) 工程的认识有了显着提高。Moerner 展示了PSF 工程与Meadowlark Optics SLM 的使用案例,用于荧光发射器的超分辨率成像和3D 定位。PSF工程已被证明使显微镜能够使用多种成像模式对样本进行成像,同时以非机械方式在模式之间变化。这允许对具有弱折射率的结构进行成像,以及对相位结构进行定量测量。已证明的成像方式 ...
度。对目标的点扩散函数沿狭缝方向逐像素反卷积,可以得到较强的分割效果。宽视场照明和成像检测窄带滤波器可用于拉曼成像。第一个成功的现代仪器采用了干涉滤波器,它可以倾斜以改变通带。随后,声光可调谐滤波器(AOTF)和液晶可调谐滤波器(LCTF)被引入到拉曼成像中,并提供了电子可调谐性。可调滤波器方法已被证明是测量隔离波段最有用的方法。如果只需要几个帧来定义波段,全球拉曼成像可以相当快。当有许多重叠波段或非线性背景时,许多图像必须以不同的拉曼位移拍摄,时间优势就消失了。需要注意的是,声光滤波器的透射率仅为50%左右,而液晶滤波器的透射率约为20 - 40%。相比之下,电介质滤光片通过80-90%的入 ...
信号是物体与点扩散函数的卷积非线性浓度依赖性线性浓度依赖性CARS的产生条件与SRS相同,但检测方法不同。在SRS中,可以检测到激励束的强度增益和强度损失,而在CARS,反斯托克斯频率下的新辐射ωaS = 2ωp−ωS 。CARS是由被称为四波混合的光学参量过程产生的,在这个过程中能量在光场之间交换。这与SRS相反,SRS是光场和样品之间的能量传递过程。这解释了为什么如果Δω不匹配样品的振动频率,因此不受非共振背景的影响,SRS不能发生,因为样品没有吸收量子振动能量的本征态。尽管与自发拉曼散射显微镜相比,CARS在成像速度上有很大的优势,但在生物医学研究中尚未被广泛接受。与其他显微镜技术相比, ...
噪比等参数对点扩散函数(PSF)的优化,更重要的是,SPINDLE可在无需扫描的情况下在单张图像中将传统成像系统的景深扩大10倍。在本文中,我们展示了如何将SPINDLE成像系统与传统荧光显微镜结合使用以在所有三个维度(x、y、z)上实现亚衍射极限成像。SPINDLE可与任何高质量的科学相机兼容,无论是EMCCD还是sCMOS都可以提供定位显微镜所需的高信噪比图像。使用SPINDLE和DH-PSF相位掩模版对细胞微管进行三维超分辨成像在本文中,我们证明了使用SPINDLE单通道模块可以实现高精度、大深度的超分辨率重建。如图1所示,使用Double Helix (DH-PSF) 的相位掩模版与S ...
之间的温度的点扩散函数 (PSF) 没有影响。3.玻璃基板的折射率是多少?答:在 500 nm 波长下,玻璃基板的折射率为 n=1.52。4.使用油浸物镜工作时可能的最高温度是多少?答:我们结合高 NA 物镜 (NA>1.4) 在油浸温度高达 100 °C 的条件下测试了VAHEAT。不建议超过此温度,因为物镜可能会损坏并且浸油会开始分解。五、智能基板1.如何清洁我的智能基板?答:您可以使用乙醇、异丙醇或丙酮等有机溶剂清洁智能基板。您也可以使用 pH 值中性的清洁剂(例如 Extran 或 Hellmanex)。智能基板可承受超声波清洗和氧等离子体处理。请避免使用强酸或强碱。基材与清洁剂 ...
显微镜的有效点扩散函数(PSF)是光学照明点扩散函数和检测点扩散函数的乘积。如图1(b)-(e)所示,与外线照明相比,贝塞尔光束照明有效地降低了z方向PSF的延伸,表明贝塞尔照明可以提高轴向分辨率和背景消除。在贝塞尔束成像中,旁瓣可能是一个问题,但在该照明模式中,入口狭缝减少了旁瓣对成像的影响,因此是实现各向同性空间分辨率的关键因素。但是在贝塞尔照明时,较低的照度物镜NA导致了较低的x方向空间分辨率。在狭缝扫描拉曼显微镜中使用贝塞尔束照明来观察厚的生物样品,并证明了与传统外延线照明拉曼显微镜相比,在观察球体时,图像对比度和实际分辨率的提高。贝塞尔照明和狭缝共聚焦检测相结合的背景还原和各向同性空 ...
,从此人们对点扩散函数 (PSF) 工程的认识有了显着提高。Moerner 展示了 PSF 工程与 Meadowlark Optics SLM 的使用案例,用于荧光发射器的超分辨率成像和 3D 定位。 PSF工程已被证明使显微镜能够使用多种成像模式对样本进行成像,同时以非机械方式在模式之间变化。这允许对具有弱折射率的结构进行成像,以及对相位结构进行定量测量。 已证明的成像方式包括:螺旋相位成像、暗场成像、相位对比成像、微分干涉对比成像和扩展景深成像。美国Meadowlark Optics 公司专注于模拟寻址纯相位空间光调制器的设 计、开发和制造,有40多年的历史,该公司空间光调制器产品广泛应用 ...
分辨率为照明点扩散函数的平方的最大强度的1∕e半径,定义为:其中,λ为照明光的波长,NA为物镜的数值孔径。我们将成像系统的横向空间分辨率定义为IPSF2的1∕e2点的全宽度:求解NA,在小于0.7的假设下,我们发现0.65NA的物镜足以在1040nm照明光下提供约1μm的空间分辨率。因此,我们选择一个40×∕0.65NA的物镜。基于这个物镜,我们现在选择能够提供所需 FOV 的扫描透镜和套筒透镜Tube Lens。实际上,这相当于选择具有适当 f 数 (f ∕#) 的 Tube Lens。套筒透镜的孔径 (At) 必须足够大,以支持最大扫描角(θmax) 处的照明光束的整个直径。因此,套筒透镜 ...
,y)|2是点扩散函数(PSF)。它的傅里叶变换H(u,υ)是光学传递函数(OTF)。OTF与光瞳函数的二维自相关成正比:出于简化考虑,常数比例因子被略掉,这对我们的分析只有很小的影响。尽管如此,OTF在其原点以统一最大值表示。我们注意到,所有的真实光源都是部分相干的。大多数的被动成像是空间不相干的。如前所述,主动成像的特性取决于所用的光源。显微镜、计量、光刻都是理解和控制光源及其相干性特别重要的应用。相干性对成像仪器的响应的影响如图3所示。图3(a),成像系统的一个一维通光孔径由光瞳函数表示。其生成的sinc函数相干响应p(x)见图3(b)。图3(c)和图3(d)分别表示非相干响应的OTF和 ...
息可以通过对点扩散函数(PSF)求解卷积的方法得到一定程度的恢复,从而放宽空间和角度信息之间的权衡要求。当前不足:当前有两个主要因素限制了 LFM 的更广泛应用。首先,LFM 的空间信息的采样模式是不均匀的。特别是在NIP附近,信息的冗余导致重建时产生严重的伪影。其次,体积重建采用波动光学模型的 PSF 解卷积。传统 LFM 的 PSF 在横向和轴向维度上都有空间变化,因此用5D 矩阵描述,该矩阵将 3D 物体投影到 2D 相机平面上。这加剧了计算成本,使得重建相当缓慢,并且对于动态或功能数据的快速观察来说是不切实际的。最近虽然提出了傅立叶成像方案,然而,其光学传播模型并不完善,使得应用范围和 ...
可以将分布式点扩散函数(PSF)有意设计到成像系统中,从而获得如单帧高光谱成像、单帧三维成像这样的能力。在这种情况里,采用多路复用的光学器件通过将物空间中的每一点映射到成像传感器上的分布式模式以将二维和三维信息编码,然后利用解卷积算法从模糊或编码的测量来重建编码的清晰图像或体积。现有的解卷积算法应用场景有限。现今已有多种解卷积算法。经典的有Wiener滤波(属于closed-form方法)、Richardson-Lucy和快速迭代收敛阈值算法(属于迭代优化方法)等。但是现有的解卷积方法往往需要精心挑选的先验信息(如total variation和native sparsity)来提高图像质量。 ...
。但是其存在点扩散函数各向异性、分辨率衍射受限、散射样品中与深度相关的退化(degradation)和体积漂白等问题。文章创新点:基于此,美国国立卫生研究院的Yicong Wu(一作兼通讯)等人提出一种多视图(multiview)共聚焦显微镜,在空间上从亚微米到毫米,在时间上从毫秒到小时级地增强共聚焦显微镜的性能。轴向和横向分辨率提高两倍以上的同时,还降低了光毒性。主要举措有:(1)、开发紧凑型线扫描仪,能够在大面积上实现灵敏、快速、衍射极限的成像;(2)、将线扫描与多视图成像相结合,开发可提高分辨率各向同性并恢复因散射而丢失的信号的重建算法;(3)、采用结构光照明显微技术,在密集标记的厚样品 ...
光谱波长处的点扩散函数的空间平移不变卷积的光谱积分,这种卷积成像模型具有计算复杂度低的优点。然而,空间光谱调制受到DOE高度图(height map)的限制(即只有高度图是唯一可变的自由参数),导致重建过程的不适定性显著增加。文章创新点:基于此,哥伦比亚桑坦德工业大学的Henry Arguello(一作兼通讯)和美国斯坦福大学的Gordon Wetzstein等人利用DOE的紧凑性CCA丰富的光谱编码优势,提出了一种由DOE和CCA组成的平移变化彩色编码衍射(SCCD)光谱成像系统,并使用端到端方法联合设计具有可微分成像模型的DOE和CCA参数,以最大限度地减少大量图像上真实图像和重建图像之间 ...
到的光强作为点扩散函数。只考虑点扩散函数为平移不变的情况,这样可以简化问题。图像源与点扩散函数卷积,在图像传感器每个像素上随波长和时间积分,加上传感器的读取噪声,最终成像。图像重建可以看作为求解一个Tikhonov正则化最小二乘问题。(2) 端到端优化框架。用随机梯度法优化有一个光学元件的计算相机。将成像模型的每一步描述为一个可微的模块。光学元件的光学高度分布h是一个优化变量,光学元件的尺寸、图像传感器像元尺寸、传输距离z和图像传感器读取噪声水平等,均为超参数。在一个RGB图像数据集上优化模型。损失函数为均方根误差。(3) 消色差拓展景深。在成像建模的时候,考虑多色和多深度的场景:将整个光谱离 ...
得到超表面的点扩散函数PSF,fSENSOR描述图像传感器感光加上其本身的读取噪声。星号*代表卷积。优化问题公式:方程左边大括号内,前者用于加工meta-optics,后者用于确定解卷积算法。附图:因为后焦只有1mm,作者所用图像传感器不适于直接接收像面,因此使用物镜加tube lens作为中继镜头。(晶圆级镜头尺寸也可以达到本文超表面如此程度,如ovm6948,视场角120°,0.65mmX0.65mm)参考文献:Tseng, E., Colburn, S., Whitehead, J. et al. Neural nano-optics for high-quality thin lens ...
通过具有优化点扩散函数(PSF)的光学滤波器将最亮像素值的信息编码到附近像素中来保留饱和像素值的信息。使用光学滤波器对HDR像素信息进行编码,并转向机器学习来自动设计光学元件和端到端的重建算法,从而最大化从HDR场景传递到低动态范围的信息(LDR)测量。文章通过大量的模拟,证明深度光学通常比替代的单次HDR成像方法获得更好的结果。因为与HDR-CNN方法相比,优化的PSF具有更大的自由度来编码图像传感器图像中的场景信息,并且与其它光学编码技术相比,这里使用与重建算法联合优化的光学元件 ,而不是启发式选择。且制造出的光学元件可以作为附件直接安装在现有的光学镜头上。原理解析(数学原理见附录,对公式 ...
着有平移不变点扩散函数 (PSF)。具有已知PSF的散射介质(通常被侵入性测量)可以被视为散射透镜,用于通过反卷积进行成像。与任何传统透镜类似,散射透镜只能分辨由其数值孔径(NA)定义的衍射极限的物体。解卷积成像目前以最少的介质特征(单次 PSF 测量)从散斑图样获得最佳分辨率图像。但是,每个测量的 PSF 仅对测量时的散射特性有效;因此,解卷积方法对于静态散射介质很有效,但它不能实际用于动态散射介质。实际应用需要通过散射介质进行非侵入性成像,其在没有任何散射介质测量的情况下恢复图像。扩散光学层析成像(diffuse optical tomography)和飞行时间成像是可能的解决方案,然而, ...
设计具有特定点扩散函数 (PSF) 的相机镜头,使用光谱选择性滤光器设计传感器像素的光谱灵敏度,或选择设计其它属性。然而,开发专用成像系统的挑战在于如何最好地设计此类仪器并利用这些工程能力。在这种情况下,将相机解释为编码器-解码器系统是有帮助的。一个或多个镜头通过其深度变化点扩展函数将场景投影到2D传感器上,从而对传感器上的场景进行光学编码,然后光谱过滤器确定如何集成色谱。通常,电子解码器从原始传感器测量中估计某些属性。使用可微分图像形成模型,我们可以模拟 3D 多光谱场景在传感器上的光学投影,然后使用算法处理该数据。因此,我们可以将相机设计的问题整体视为光学和成像处理的端到端优化(见图 1) ...
版,从工程化点扩散函数 (E-PSF)出发,使用螺旋相位掩模板来控制景深、发射波长和精度,结合3DTRAX软件对3D图像进行重建和分析,可在不需要扫描的条件下即时捕获 3D 信息,得到无与伦比的深度和精度3D图像,横向精度可达20nm, 轴向精度可达25nm,成像深度可达20um。当与其他工具和技术,包括STORM、PALM、SOFI、光片显微、宽场、宽场显微、TIRF、FRET等一起使用时,可释放巨大的潜力,适用于活细胞、固定细胞和全细胞成像、单分子、粒子跟踪和粒子计数等应用。图1:SPINDLE2双通道显微镜模块,用于同时多色、多深度3D成像SPINDLE2可以被很容易地安装到现有显微镜和 ...
和y中激发的点扩散函数(PSF),因此将SLM的正方形感兴趣区域成像到物镜的后焦平面,有效地将SLM分辨率降低到1152×1152像素。 SLM的像素间距为9.2微米,使得SLM的短轴为10.6毫米。为了使SLM图像的尺寸与物镜的后孔径相匹配,中继光学器件必须将SLM的图像放大,从而将有效像素间距减小到8μm。在0,π衍射图中,最大光栅周期为2个像素,入射波长为940 nm,SLM可以转向的最大角度为3.36°。取物镜焦距为7.2 mm,最大横向位移为零点附近±423μm,或x和y的总横向位移为847μm。这超出了目标可以成像的视野,同时保持目标的全部NA,因此不会牺牲激励约束。此外,通过傅里 ...
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