基于光纤的混合照明光学层析荧光显微成像研究

摘要

荧光显微镜是生命科学研究中的重要工具。在普通的宽场荧光显微成像中，焦外的信号也会被探测器收集，严重降低成像对比度和分辨率。能够克服焦外干扰的显微镜（如共聚焦、双光子显微镜）往往成像速度较慢，设备昂贵。基于散斑和均匀光混合照明的光学层析方法成本低，层析效果好，在小型化的设备上很有应用前景。传统的散斑和均匀光混合照明光学层析方法使用自由空间中的散射片散射激光来生成散斑，光路固定且所占体积较大，不利于与商业显微镜集成。
　　本文利用多模光纤导光及振动光纤消散斑方法，改进了传统的混合照明层析方法，实现了一种基于光纤的混合照明光学层析荧光显微成像系统。该系统的层析能力能够接近共聚焦显微成像；且具有光路封闭、装置空间柔性、系统简单、成本低（两万元左右），适合与商用显微镜结合等优点。本文主要工作如下：
　　首先，给出了光纤导光的混合照明光学层析荧光显微成像系统原理图；对散斑和均匀光混合照明光学层析方法进行了理论分析，给出了具体算法；分析了振动光纤消散斑实现均匀照明的方法。
　　其次，通过实验测试了不同参数对振动光纤消散斑效果的影响：振动电机驱动电压越高，消散斑效果越好，并且随着电压升高提升效果越弱；光纤模式数越大，消散斑效果越好；光纤缠绕不提升消散斑效果，甚至有微小的恶化。根据实验结果，设计了振动光纤消散斑模块及其工程封装，得到一个即插即用、调节方便、成本低、可用于各类光学系统的消散斑模块。
　　最后，搭建了基于光纤的散斑和均匀光混合照明成像系统；编写了Matlab图像处理程序；利用花粉粒和100μm厚小鼠脑片样品对本方法进行了测试，得到了显著的层析效果。

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1 绪论

1.1 显微成像中光学层析技术及其研究进展

1.2 基于光纤的均匀照明技术

1.3 本文内容

2 基于光纤的混合照明光学层析荧光显微成像方法

2.1 基于光纤的混合照明光学层析荧光显微成像系统原理

2.2 散斑和均匀光混合照明实现光学层析方法

2.3 基于光纤的均匀照明方法

2.4 本章小结

3 基于光纤的混合照明成像系统中散斑均匀化模块实现

3.1 基于光纤的混合照明成像系统中散斑均匀化模块

3.2 振动光纤散斑均匀化实验研究

3.3 散斑均匀化模块的封装实现

3.4 本章小结

4 基于光纤的混合照明光学层析荧光显微成像系统

4.1 基于光纤的混合成像系统搭建

4.2 图像处理的Matlab算法设计

4.3 实验验证与结果分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 消散斑模块中的模具图纸

附录2 散斑和均匀光照明成像实现层析效果的MATLAB代码