点扫描光学显微系统成像技术的研究
发布时间：2021-06-05 08:10
近年来,超分辨率光学显微术的发展极大地推动了细胞生物学和纳米材料学等领域的发展。超分辨光学显微术主要被分为两大类:第一类是结构光照明显微技术,它通过对衍射极限范围内分子的荧光行为进行空间调制,使得荧光的发光点小于衍射极限。这类技术的典型代表是受激发射损耗显微术（STED）。第二类是随机单分子定位显微术（SMLM）,重构出一副超高分辨率的图像。其典型代表有随机光重建显微术（STORM）、光敏定位显微术（PALM）等。而点扫描光学显微系统是构建第一类超分辨率显微系统,例如受激发射损耗显微系统的重要基础平台。点扫描光学显微系统对推动超分辨率光学显微技术的发展有着重要的作用。本文旨在构建一种基于点照明、点探测的点扫描光学显微系统,并对其成像关键技术进行研究。文中首先概述了点扫描光学显微技术的原理及应用,并论述了衍射极限与分辨率之间的关系。结合时间相关单光子计数技术的优势,提出并研制了具有良好横向和纵向扫描能力的点扫描光学显微系统,主要包括硬件、软件、扫描控制以及光学系统等。解决了系统研制过程中的数据采集与处理、系统同步控制、照明光的产生、荧光光子的探测、系统调节与优化等关键问题。最终,建立测试...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１光学衍射与分辨率的关系??理想情况下，一个物点经光学显微成像之后，应该是一个像点
?第１章绪论???＾?．?＿?ＪｊＬ?ＪｆＬ?＾ＪＬ．??誠鐵錢??祕錢?祕能雅?不能分辨??图１．１光学衍射与分辨率的关系??理想情况下，一个物点经光学显微成像之后，应该是一个像点。然而由于光??的波动性，物点经光学显微成像为一个像斑。当两个物点的距离很近时，就可??能导致两个像斑不能被分辨。一般来说，最小分辨角反映了光学显微镜的分辨??能力，最小分辨角越小，则光学显微成像的分辨率越高。最小分辨角ｅ的示意图，??如图１．２所示。图中０１和０２代表两个物点，分别对应了?Ｐ１和Ｐ２两个像点，??物点与对应像点连线的夹角被称为最小分辨角。阿贝衍射极限的瑞利判据指出，??光学显微成像能够分辨的最小分辨角可以表示为０＝１．２２Ｘ／Ｄ，其中，Ｄ表示物镜??的通光孔径，Ｘ为照明光的波长。??Ｐ２?Ｐ１??ｍ??０１?０２??图１．２最小分辨角示意图??为了打破光学衍射极限这一瓶颈，人们提出了诸多的解决方法。科学家们从??多方面入手，提出了诸多的光学显微方法。从光学性质着手，利用波长、偏振、??相位等光学性质，设计了荧光显微、偏振显微等光学显微技术。在照明方式方??面，设计了点照明，场照明等多种结构复杂的光学显微系统。使用短波长的照??明光，设计了紫外光显微镜等。目前，应用广泛的超分辨率光学显微术中，可??以免受光学衍射极限影响的主要被分为两大类【３１：??第一类为基于照明光空间调制的结构光照明显微技术（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ?Ｌｉｇｈｔ??Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，?ＳＬＩＭ）。它通过对照明光进行空间调制，以控制样品的??荧光行为，使得只有中间小于衍射极限部分被激发，从而突破光学衍射
激发射损耗显微方法［４］。受激发射损耗显微术是一种可以突破??衍射极限的远场光学显微成像技术，该显微方法利用光的相干相消原理，在光??路中加入中心光强为零的环形损耗光［５］，该损耗光可以将激发光外围的电子以非??线性的形式损耗ｔ６］，当这种受激发射达到饱和状态时，外围电子只能通过受激发??■?射的形式回到基态，而不会自发的回到基态［７］。这种非线性的受激发射方式可以??使得照明光斑外围的光强被衰减为零，激发光的尺寸小于阿贝衍射极限［８］，从而??获得超越光学衍射极限的成像分辨率。如图１．３所示，为受激发射损耗显微系统??的原理图，图中红色为激发光，粉色为损耗光，绿色为发射荧光。??激发光?损耗光??１?｜料＇??ＡＰＤ?◎?＼??针孔Ｕ二向针孔品??收束镜?、?物镜??图１．３受激发射损耗显微术原理图??由图１．３可知，受激发射损耗显微术的光路被分为激发光和损耗光两部分，??其原理是在损耗光路中插入螺旋相位板（ＶＰＰ）?［９＿１（）１，引入０－２ｔｔ的相位延迟，进??而形成中心光强为零的环形损耗光，然后将激发光与中心光强为零的环形损耗??光重合并叠加，由于相干相消的原理，中心光强为零的损耗光将激发光的外围??的光强损耗为零，而得到尺寸小于衍射极限的激发光。受激发射损耗的强度点??扩散函数可以表示为［１１］：??ＩＥ?（ｘ，?ｙ，?ｚ）?＝?７ｅｘｃ?（ｘ，?ｙ，?ｚ）?ｅｘｐｆ－／＾?（ｘ，?ｙ，?ｚ）＾?／?Ｉｓ）］?（１．１）??式中：／Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）为受激发射损耗的场强点扩散函数，／＿（ｘ，ｙ，ｚ）为激发场强点扩??散函数，Ｊｓ，ｅｄ（ｘ，ｙ，ｚ）为归一化的损耗场强点扩散函数，／＿／人为饱和因子
【参考文献】：
期刊论文
[1]光偏振片和波片的综合设计实验[J]. 毛红敏,秦长发,王晓丹,王军. 大学物理实验. 2019(01)
[2]空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素[J]. 王超,范雪冰,佟首峰,李英超,江伦,刘壮,史浩东,姜会林. 光子学报. 2018(12)
[3]光纤耦合中的偏振匹配优化[J]. 宋红芳,曾孟彦,黄垚,管桦,高克林. 量子电子学报. 2018(03)
[4]一种激光连续变倍准直扩束系统的设计[J]. 黄耀林,王敏,寇远凤. 光学仪器. 2018(02)
[5]Base pair distance analysis in single DNA molecule by direct stochastic optical reconstruction microscopy[J]. Suresh Kumar Chakkarapani,Guenyoung Park,Seong Ho Kang. Chinese Chemical Letters. 2015(12)
[6]偏振光经1/4波片后偏振态变化的理论分析[J]. 王平,陈宇. 中国科技信息. 2007(22)
[7]基于多通道信息融合的激光扫描共聚焦显微镜图像分割[J]. 何磊,张素,肖昌炎,陈亚珠. 计算机应用研究. 2006(12)
[8]基于偏振干涉滤光片的宽波带偏振方向旋转器的设计[J]. 胡翔宇,熊静懿,贺银波,曾广杰,余飞鸿,郭海成. 光学仪器. 2003(02)
博士论文
[1]基于单模光纤耦合自差探测星间光通信系统接收性能研究[D]. 赵芳.哈尔滨工业大学 2011
[2]激光共聚焦扫描显微成像系统及其信息分析的研究[D]. 胡茂海.南京理工大学 2002
硕士论文
[1]提高空间光通信系统耦合效率的研究[D]. 吴子开.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2017
[2]聚焦系统对单模光纤空间光耦合影响分析[D]. 李立洁.哈尔滨工业大学 2014
[3]空间光—光纤耦合系统光传输特性研究[D]. 罗志华.电子科技大学 2013
[4]一种激光变焦扩束系统设计[D]. 刘焕宝.长春理工大学 2011
[5]振动对空间光—光纤耦合效率影响及补偿方法研究[D]. 王强.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3211784
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１光学衍射与分辨率的关系??理想情况下，一个物点经光学显微成像之后，应该是一个像点
?第１章绪论???＾?．?＿?ＪｊＬ?ＪｆＬ?＾ＪＬ．??誠鐵錢??祕錢?祕能雅?不能分辨??图１．１光学衍射与分辨率的关系??理想情况下，一个物点经光学显微成像之后，应该是一个像点。然而由于光??的波动性，物点经光学显微成像为一个像斑。当两个物点的距离很近时，就可??能导致两个像斑不能被分辨。一般来说，最小分辨角反映了光学显微镜的分辨??能力，最小分辨角越小，则光学显微成像的分辨率越高。最小分辨角ｅ的示意图，??如图１．２所示。图中０１和０２代表两个物点，分别对应了?Ｐ１和Ｐ２两个像点，??物点与对应像点连线的夹角被称为最小分辨角。阿贝衍射极限的瑞利判据指出，??光学显微成像能够分辨的最小分辨角可以表示为０＝１．２２Ｘ／Ｄ，其中，Ｄ表示物镜??的通光孔径，Ｘ为照明光的波长。??Ｐ２?Ｐ１??ｍ??０１?０２??图１．２最小分辨角示意图??为了打破光学衍射极限这一瓶颈，人们提出了诸多的解决方法。科学家们从??多方面入手，提出了诸多的光学显微方法。从光学性质着手，利用波长、偏振、??相位等光学性质，设计了荧光显微、偏振显微等光学显微技术。在照明方式方??面，设计了点照明，场照明等多种结构复杂的光学显微系统。使用短波长的照??明光，设计了紫外光显微镜等。目前，应用广泛的超分辨率光学显微术中，可??以免受光学衍射极限影响的主要被分为两大类【３１：??第一类为基于照明光空间调制的结构光照明显微技术（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ?Ｌｉｇｈｔ??Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，?ＳＬＩＭ）。它通过对照明光进行空间调制，以控制样品的??荧光行为，使得只有中间小于衍射极限部分被激发，从而突破光学衍射
激发射损耗显微方法［４］。受激发射损耗显微术是一种可以突破??衍射极限的远场光学显微成像技术，该显微方法利用光的相干相消原理，在光??路中加入中心光强为零的环形损耗光［５］，该损耗光可以将激发光外围的电子以非??线性的形式损耗ｔ６］，当这种受激发射达到饱和状态时，外围电子只能通过受激发??■?射的形式回到基态，而不会自发的回到基态［７］。这种非线性的受激发射方式可以??使得照明光斑外围的光强被衰减为零，激发光的尺寸小于阿贝衍射极限［８］，从而??获得超越光学衍射极限的成像分辨率。如图１．３所示，为受激发射损耗显微系统??的原理图，图中红色为激发光，粉色为损耗光，绿色为发射荧光。??激发光?损耗光??１?｜料＇??ＡＰＤ?◎?＼??针孔Ｕ二向针孔品??收束镜?、?物镜??图１．３受激发射损耗显微术原理图??由图１．３可知，受激发射损耗显微术的光路被分为激发光和损耗光两部分，??其原理是在损耗光路中插入螺旋相位板（ＶＰＰ）?［９＿１（）１，引入０－２ｔｔ的相位延迟，进??而形成中心光强为零的环形损耗光，然后将激发光与中心光强为零的环形损耗??光重合并叠加，由于相干相消的原理，中心光强为零的损耗光将激发光的外围??的光强损耗为零，而得到尺寸小于衍射极限的激发光。受激发射损耗的强度点??扩散函数可以表示为［１１］：??ＩＥ?（ｘ，?ｙ，?ｚ）?＝?７ｅｘｃ?（ｘ，?ｙ，?ｚ）?ｅｘｐｆ－／＾?（ｘ，?ｙ，?ｚ）＾?／?Ｉｓ）］?（１．１）??式中：／Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ）为受激发射损耗的场强点扩散函数，／＿（ｘ，ｙ，ｚ）为激发场强点扩??散函数，Ｊｓ，ｅｄ（ｘ，ｙ，ｚ）为归一化的损耗场强点扩散函数，／＿／人为饱和因子
【参考文献】：
期刊论文
[1]光偏振片和波片的综合设计实验[J]. 毛红敏,秦长发,王晓丹,王军. 大学物理实验. 2019(01)
[2]空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素[J]. 王超,范雪冰,佟首峰,李英超,江伦,刘壮,史浩东,姜会林. 光子学报. 2018(12)
[3]光纤耦合中的偏振匹配优化[J]. 宋红芳,曾孟彦,黄垚,管桦,高克林. 量子电子学报. 2018(03)
[4]一种激光连续变倍准直扩束系统的设计[J]. 黄耀林,王敏,寇远凤. 光学仪器. 2018(02)
[5]Base pair distance analysis in single DNA molecule by direct stochastic optical reconstruction microscopy[J]. Suresh Kumar Chakkarapani,Guenyoung Park,Seong Ho Kang. Chinese Chemical Letters. 2015(12)
[6]偏振光经1/4波片后偏振态变化的理论分析[J]. 王平,陈宇. 中国科技信息. 2007(22)
[7]基于多通道信息融合的激光扫描共聚焦显微镜图像分割[J]. 何磊,张素,肖昌炎,陈亚珠. 计算机应用研究. 2006(12)
[8]基于偏振干涉滤光片的宽波带偏振方向旋转器的设计[J]. 胡翔宇,熊静懿,贺银波,曾广杰,余飞鸿,郭海成. 光学仪器. 2003(02)
博士论文
[1]基于单模光纤耦合自差探测星间光通信系统接收性能研究[D]. 赵芳.哈尔滨工业大学 2011
[2]激光共聚焦扫描显微成像系统及其信息分析的研究[D]. 胡茂海.南京理工大学 2002
硕士论文
[1]提高空间光通信系统耦合效率的研究[D]. 吴子开.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2017
[2]聚焦系统对单模光纤空间光耦合影响分析[D]. 李立洁.哈尔滨工业大学 2014
[3]空间光—光纤耦合系统光传输特性研究[D]. 罗志华.电子科技大学 2013
[4]一种激光变焦扩束系统设计[D]. 刘焕宝.长春理工大学 2011
[5]振动对空间光—光纤耦合效率影响及补偿方法研究[D]. 王强.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3211784
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