基于数字工程照明的超分辨方法与技术

摘要

随着科学技术的发展，物体细节信息的重要性日益凸显。相比于电子显微镜，光学显微镜拥有非接触、无损伤、可探测样品内部信息的特点，这些特性使光学显微镜在生命科学研究中大受欢迎。但衍射极限的存在使分辨率受到限制。在科研人员的不懈努力下，许多实现超分辨的光学显微成像方法被实现，包括受激发射损耗显微技术(STED)、结构照明显微技术(SIM)、光激活定位显微技术(PALM)和随机光学重构显微技术（STORM）。相比于其他的超分辨显微方法，SIM适用于各种不同的荧光标记的样品，成像速度快，所需光源强度低，这些特点使SIM在实时观测样品的生命活动上具有非常大的优势。 本文基于可编程数字微镜器件(DMD)设计搭建了结构光照明超分辨荧光显微系统，且设计编写并验证了线性SIM和盲SIM的超分辨复原算法，通过实验结果，验证了光路和算法的有效性。本文主要完成的工作和成果包括: 1.研究SIM的成像原理，编写适用相应的仿真程序，进行仿真，并与宽场图进行对比，说明超分辨的效果。 2.搭建和设计光学系统中的结构光生成光路和成像光路，进行详细的理论分析和实际光路展示。 3.提出了一种荧光成像的超分辨复原新算法，该算法结合随机图样照明、图样估算算法和傅里叶层叠算法(FP)，我们称之为图样估算傅里叶层叠法(Pattern-estimated Fourier ptychography，PEFP)。该方法不需要控制散斑照明的形状，相比原始的图样照明傅里叶层叠算法(pattern-illuminated Fourier ptychography，piFP)，不需要知道散斑扫描位置的先验信息，对旋转误差和位移误差不敏感。为了进一步证明该方法的效果，我们将该算法与现有的盲SIM复原算法PE-SIMS-PR算法做了比较，PEFP可以实现更好的分辨率，而且，由于PEFP算法中引入了像差校正，所以我们的方法在像差矫正方面也具有优势。

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致谢

摘要

1绪论

1．1光学显微技术的发展历史

1．2超分辨光学显微技术的发展现状

1．3本论文的主要内容

1．4本章小结

2结构光照明超分辨荧光显微成像基本原理

2．1荧光显微系统中的基础概念

2．1．1分辨率

2．1．2点扩散函数和传递函数

2．2宽场荧光显微成像原理

2．3结构光照明超分辨荧光显徼成像原理和仿真

2．3．1结构光照明显微术

2．3．2饱和结构光照明显微术

2．3．3盲结构光照明显微术

2．4本章小结

3结构光照明超分辨显微成像系统

3．1结构光生成模块设计

3．1．1传统结构光产生方法

3．1．2本文结构光生成方法

3．1．3基于DMD的余弦结构光生成原理

3．1．4 DMD生成图样模块设计

3．2．1成像光路

3．2．2标定方式

3．3基于DMD的结构光照明超分辨显微成像系统

3．3．1激光光源介绍

3．3．2数字微镜器件(DMD)介绍

3．3．3二向色镜和滤光片

3．3．4 CCD

3．4制作荧光颗粒样品

3．5本章小结

4图样估算傅里叶层叠显微术

4．1原理

4．1．1成像过程的正演模型

4．1．2照明图样和样品图像重构

4．2仿真结果

4．2．1分辨率

4．2．2抗位移能力

4．2．3抗噪力

4．2．4像差校正能力

4．3实验结果

4．4本章小结

5线性SIM的软件结构

5．1功能模块概述

5．2实验结果

5．3本章小结

6总结与展望

6．1总结

6．2改进与展望

参考文献

作者简历