超分辨成像的案例
.: AIE材料用于STED超分辨生物成像
【背景介紹】
熒光顯微成像技術(shù)因其高分辨力和低侵入性，已成為生物醫(yī)學(xué)研究和診療中重要的觀測手段。但是，由于光學(xué)衍射極限的存在，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微術(shù)的分辨能力在200 nm左右，無法滿足亞細(xì)胞尺度的觀測需求，而超分辨顯微技術(shù)則打破了技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了超越光學(xué)衍射極限的分辨能力。STED超分辨顯微術(shù)的發(fā)明者Stefan Hell因這項(xiàng)技術(shù)與PALM超分辨顯微術(shù)的發(fā)明者共同獲得了2014年諾貝爾化學(xué)獎，STED顯微術(shù)也因其極高的分辨能力而受到廣泛關(guān)注。
STED超分辨技術(shù)的基本原理如下：一束符合光學(xué)衍射極限的激光作為激發(fā)光，把熒光探針的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)；另一束激光作為擦除光，其光斑經(jīng)過調(diào)制，中心能量很低，形成類似“甜甜圈”的光斑，被激發(fā)光激發(fā)后的熒光探針在被擦除光照射后，將發(fā)生與擦除光波長相同的受激輻射，只有處于擦除光中心沒有能量的部分會發(fā)射熒光。如此一來，發(fā)射熒光的半徑是由“甜甜圈”的中心半徑?jīng)Q定的，而不是激發(fā)光的半徑?jīng)Q定的，即小于衍射極限半徑。
但是，STED顯微成像對熒光探針的要求極為苛刻，首先，熒光材料需要具備很高的受激輻射效率，這樣一來才能獲得較好的“擦除”效果；其次，熒光材料需要極高的光穩(wěn)定性，因?yàn)橐话銇碚f擦除光都是功率很高的激光，如果熒光探針容易被光漂白就無法實(shí)現(xiàn)STED成像；除此之外，熒光材料還需要具備較大的斯托克斯頻移，否則如果擦除光能被熒光材料吸收并發(fā)射熒光，會極大地影響成像效果。目前上轉(zhuǎn)換材料、量子點(diǎn)和一些有機(jī)染料都被用于STED，但是上轉(zhuǎn)換材料的熒光壽命太長，使得成像速度很慢，難以實(shí)現(xiàn)對生命過程的實(shí)時觀察；量子點(diǎn)普遍斯托克斯頻移很小，使得成像效果不盡如人意；傳統(tǒng)的有機(jī)染料雖然生物兼容性最好，且靶向性強(qiáng)，但是普遍斯托克斯頻移不大，并且光穩(wěn)定性不好，難以實(shí)現(xiàn)長時間的觀測。
展開 ：開發(fā)高亮度聚合物點(diǎn)探針實(shí)現(xiàn)三維多色超分辨成像應(yīng)用
近日，南方科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系吳長鋒教授課題組成功開發(fā)了一系列高亮度聚合物點(diǎn)熒光探針，通過熒光探針功能化和擴(kuò)展成像技術(shù)，在普通熒光顯微鏡上可以觀察到精細(xì)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，分辨率高達(dá)30 nm。相關(guān)成果發(fā)表在材料領(lǐng)域知名期刊Advanced Materials。
超分辨光學(xué)成像因其能夠提供低于衍射極限的分辨率而獲得了2014年諾貝爾化學(xué)獎，當(dāng)前超分辨技術(shù)主要分為兩類：基于激發(fā)光調(diào)制的超分辨成像和基于單分子定位的超分辨成像。擴(kuò)展顯微成像采用了截然不同的思路：通過將樣本膨脹擴(kuò)大，使得原本在衍射極限范圍內(nèi)的相鄰分子由于距離變大而變得清晰可辨。該方法不依賴于復(fù)雜的成像系統(tǒng)，用普通共聚焦顯微鏡可以獲得納米級分辨率，但樣本擴(kuò)展過程中由化學(xué)猝滅及密度稀釋導(dǎo)致的熒光亮度衰減是該方法進(jìn)一步發(fā)展的難題。
針對這一問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了適用多色擴(kuò)展顯微成像的聚合物點(diǎn)熒光探針。相比于商用的熒光染料，聚合物點(diǎn)的熒光標(biāo)記亮度可以提高6倍。由于聚合物點(diǎn)的高亮度標(biāo)記，細(xì)胞骨架微管蛋白的三維空間構(gòu)象、網(wǎng)格蛋白有被小泡以及神經(jīng)元突觸結(jié)構(gòu)等，都能夠在普通熒光顯微鏡上解析出來（圖1a-c）。課題組進(jìn)一步將聚合物點(diǎn)探針、擴(kuò)展成像技術(shù)、和光學(xué)漲落超分辨技術(shù)結(jié)合起來，在普通寬場顯微鏡上實(shí)現(xiàn)了約30 nm的超高分辨率成像，更加真實(shí)地還原出微管蛋白尺寸以及線粒體中空膜結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)信息（圖1d-j）。這些發(fā)現(xiàn)展示了高亮度聚合物點(diǎn)在生物光學(xué)成像的應(yīng)用潛力。
圖1 三維超分辨擴(kuò)展-光學(xué)漲落聯(lián)合成像解析亞細(xì)胞精細(xì)結(jié)構(gòu)
擴(kuò)展顯微成像的樣本標(biāo)記過程步驟繁瑣、重復(fù)耗時。
展開 浙大：一種全新三維光學(xué)超分辨顯微鏡
看見一個新世界探尋生命的原理
課題組提出了一種基于非共軸干涉系統(tǒng)的新型光學(xué)成像技術(shù)（系統(tǒng)圖如圖1所示）。該方法結(jié)合了結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)和多角度全內(nèi)反射照明顯微技術(shù)，適用于任何熒光染料標(biāo)記下的超分辨成像。
圖1 MAIM系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)主要由兩套掃描振鏡構(gòu)成，用于控制照明光束的入射角和方位角，實(shí)現(xiàn)變角度倏失場照明下的結(jié)構(gòu)光成像。
常規(guī)光學(xué)顯微鏡的分辨率具有極限，在可見光照明區(qū)域，橫向極限分辨率是成像光波長的一半(250-300納米) , 軸向上500-600納米。而結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)只將橫向和軸向分辨率上提升了一倍。課題組巧妙地把多角度全內(nèi)反射照明引入到結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)了橫向分辨率~100納米，軸向分辨率~40納米的三維超分辨成像。
在成像速度提升方面，課題組通過利用變角度倏失場照明下的結(jié)構(gòu)光成像，并結(jié)合計(jì)算成像模型，使得三維成像速度大大提升。同時由于所需光劑量低，成像速度快，減少了熒光漂白，有利于長時程觀測。對活細(xì)胞內(nèi)線粒體和微管的成像結(jié)果如圖2所示，揭示了它們的三維動態(tài)變化。
圖2 活細(xì)胞內(nèi)線粒體（a，b）和微管（c，d）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a，c）橫向超分辨和衍射受限的低分辨成像結(jié)果；（b，d）三維超分辨動態(tài)成像結(jié)果（顏色代表軸向信息）。
負(fù)責(zé)人劉旭教授介紹，對細(xì)胞膜附近的細(xì)胞器進(jìn)行三維快速超分辨成像，可以為亞細(xì)胞研究提供可能，揭示生命內(nèi)在規(guī)律。
展開 我國成功研制高端超分辨光學(xué)顯微鏡
據(jù)新華社報(bào)道，由中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所承擔(dān)的國家重大科研裝備研制項(xiàng)目“超分辨顯微光學(xué)核心部件及系統(tǒng)研制”26日在蘇州高新區(qū)通過驗(yàn)收，標(biāo)志著我國已經(jīng)成功研制出高端超分辨光學(xué)顯微鏡。
驗(yàn)收專家組組長、中科院高能物理所柴之芳院士認(rèn)為，該項(xiàng)目的成功實(shí)施，改善了我國高端光學(xué)顯微鏡基本依賴進(jìn)口的狀況，對滿足我國前沿基礎(chǔ)研究的定制化需求、提升創(chuàng)新能力，以及推動我國光學(xué)顯微鏡行業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。
在科學(xué)研究中,高/超分辨光學(xué)顯微鏡發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,10納米至100納米尺度的超分辨顯微光學(xué)成像更是取得原創(chuàng)性研究成果的重要手段。超分辨光學(xué)成像(Super-resolution Optical Microscopy)是本世紀(jì)光學(xué)顯微成像領(lǐng)域最重大的突破，打破了光學(xué)顯微鏡的分辨率極限（換言之，超越了光學(xué)顯微鏡的分辨率極限，故被稱為超分辨光學(xué)成像）
歷時5年攻關(guān),中科院蘇州醫(yī)工所科研人員突破大數(shù)值孔徑物鏡、特種光源、新型納米熒光增強(qiáng)試劑、系統(tǒng)集成與檢測等關(guān)鍵技術(shù)；研制出激光掃描共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡、受激發(fā)射損耗(STED)超分辨顯微鏡、雙光子-STED顯微鏡等高端光學(xué)顯微鏡整機(jī)；建成了高端顯微光學(xué)加工、裝調(diào)、檢測以及顯微鏡整機(jī)技術(shù)集成工程化平臺。
據(jù)了解，項(xiàng)目組發(fā)表相關(guān)論文61篇，授權(quán)發(fā)明專利35項(xiàng)，已授權(quán)實(shí)用新型專利56項(xiàng)，培養(yǎng)了一支集光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、軟件、材料等領(lǐng)域的超分辨顯微光學(xué)技術(shù)研發(fā)與工程化開發(fā)團(tuán)隊(duì)，為我國高端光學(xué)顯微鏡的發(fā)展提供了系統(tǒng)解決方案。中科院蘇州醫(yī)工所所長唐玉國介紹,該所研制的超分辨顯微鏡或核心部件已在美國、德國、以色列及國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)投入使用并取得部分成果。
展開 
加州理工學(xué)院魏璐《自然·通訊》超分辨率無標(biāo)記體積振動成像（水凝膠擴(kuò)大成像）
【科研摘要】
高分辨率光學(xué)成像
方面的創(chuàng)新使納米級生物結(jié)構(gòu)和連接的可視化成為可能。然而，超分辨率熒光技術(shù)，包括面向光學(xué)和基于樣品擴(kuò)展的技術(shù)，在定量和通量方面受到限制，尤其是在組織中熒光團(tuán)的光漂白或淬滅，以及低效率或不均勻的探針傳遞。
最近，
加州理工學(xué)院
魏璐助理教授
團(tuán)隊(duì)
報(bào)告了一種通用的樣本擴(kuò)展振動成像策略，稱為
VISTA，用于對富含蛋白質(zhì)的生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行可擴(kuò)展的無標(biāo)記高分辨率詢問，分辨率低至 78 nm。VISTA 通過最佳保留內(nèi)源性蛋白質(zhì)、各向同性樣品膨脹和去除散射脂質(zhì)來獲得不錯的 3D 圖像質(zhì)量。沒有探針標(biāo)記相關(guān)的問題，VISTA 提供無偏見
和高通量的組織研究。
通過相關(guān)的
VISTA 和免疫熒光，
團(tuán)隊(duì)
進(jìn)一步驗(yàn)證了 VISTA 的成像特異性，并訓(xùn)練了一個圖像分割模型，用于對復(fù)雜小鼠腦組織中的細(xì)胞核、血管、神經(jīng)元細(xì)胞和樹突進(jìn)行無標(biāo)記的多分量和體積預(yù)測。
因此，VISTA 可以為多功能生物醫(yī)學(xué)研究開辟新的途徑。
相關(guān)論文以題為
Super-resolution label-free volumetric vibrational imaging
發(fā)表在《
N
ature Communciations
》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖
1：擴(kuò)展和蛋白質(zhì)保留樣品的高分辨率無標(biāo)記振動成像。
圖
2：細(xì)胞和組織的超分辨率三維 VISTA 成像。
圖
3：在小鼠腦組織上使用熒光標(biāo)記驗(yàn)證 VISTA 成像特征。
展開 超薄成像新趨勢 | OAS 助力輕量化，高分辨率成像
? 跨尺度仿真斷裂，多軟件協(xié)同效率低下
? 算力瓶頸突出，高維優(yōu)化陷入 “局部最優(yōu)”
? 設(shè)計(jì) - 制造閉環(huán)缺失，量產(chǎn)良率難以保障
03/OAS 助力輕量化，高分辨率成像
（OAS光學(xué)軟件主界面）
OAS 光學(xué)軟件（點(diǎn)擊詳細(xì)介紹）
? 跨尺度耦合仿真，平衡三大核心指標(biāo)
OAS 軟件集成幾何光學(xué)到波動光學(xué)的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實(shí)現(xiàn)毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
? 折超混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，適配輕量化成像需求
軟件的折超混合設(shè)計(jì)模塊支持傳統(tǒng)折射光學(xué)元件與超表面元件的混合建模與優(yōu)化，為超薄成像系統(tǒng)提供靈活的設(shè)計(jì)方案。
? 制造適配性分析，筑牢量產(chǎn)良率基礎(chǔ)
軟件可模擬納米結(jié)構(gòu)尺寸偏差、邊緣粗糙度、周期誤差等多種工藝缺陷，量化分析缺陷對成像分辨率、MTF 曲線、信噪比的影響，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，降低對加工精度的敏感度，提前預(yù)判加工誤差對超表面性能的影響。
? 兼具專業(yè)性易用性，降低行業(yè)人才壁壘
軟件界面簡潔直觀，支持拖拽式建模，無需編寫復(fù)雜代碼即可完成超表面結(jié)構(gòu)搭建；內(nèi)置超表面設(shè)計(jì)向?qū)В瑥膯卧O(shè)計(jì)、陣列排布到系統(tǒng)集成，提供全流程指引，讓工程師更好上手。
04/總結(jié)
超薄、輕量化、高分辨率是成像技術(shù)的必然發(fā)展趨勢，超表面作為核心支撐技術(shù)，正迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。OAS 光學(xué)軟件將持續(xù)提升和優(yōu)化功能，助力超表面設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展。
展開 基于MATLAB的矢量光束聚焦光場仿真
偏振不僅在我們的日常生活中有很多應(yīng)用，包括偏振太陽鏡，偏振相機(jī)和3D電影等，而且在偏振檢測和偏振成像等科學(xué)研究方面也得到了廣泛的應(yīng)用。但由于課時限制等原因，以上內(nèi)容基本是光學(xué)課程介紹的內(nèi)容，相對比較簡單和陳舊。光學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了新型偏振光的提出，比如矢量光束。矢量光束由于其在垂直于光傳播方向的橫截面具有非均一性的偏振分布，在量子存儲、粒子操控、超分辨成像、納米光刻和激光加工等領(lǐng)域具有重要的潛在發(fā)展前景。因此，有必要引入光學(xué)發(fā)展前沿，鼓勵學(xué)生探索光學(xué)新發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教研融合。同時，考慮到知識的難度，我們需要結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對光學(xué)理論和模型進(jìn)行精確仿真和可視化，從而直觀呈現(xiàn)抽象的物理過程，提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率[2]。
本文以矢量偏振光束通過高數(shù)值孔徑物鏡的衍射為例，基于MATLAB模擬仿真展示偏振態(tài)對光場傳播過程和聚焦光場的影響。對于低數(shù)值孔徑透鏡，只需使用傍軸近似或夫瑯禾費(fèi)近似的標(biāo)量衍射理論。但是，對于高數(shù)值孔徑透鏡，聚焦光場與偏振狀態(tài)密切相關(guān)，特別是對于矢量光束，聚焦光場將呈現(xiàn)顯著的偏振特性[3], 此時就需要使用由RICHARDS B和WOLF E在德拜標(biāo)量衍射積分的基礎(chǔ)上建立的矢量衍射理論[4,5]。借助矢量衍射理論，可以精確描述矢量光束的衍射光場分布，包括振幅、相位和偏振態(tài)等。首先，根據(jù)矢量衍射理論推導(dǎo)了聚焦場分布積分表示；進(jìn)一步借助MATLAB仿真給出了矢量偏振光束入射情況下的聚焦光場分布，為學(xué)生提供直觀的可視化結(jié)果。最后，通過與常見的線偏振光和圓偏振光對比，對矢量偏振光束聚焦場分布進(jìn)行了分析和總結(jié)，有助于學(xué)生對偏振影響的整體理解和掌握。
1 矢量偏振光束
偏振光束根據(jù)空間分布可分為均勻偏振光和非均勻偏振光[6,7]，線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光都是常見的均勻偏振光。
展開 SAR雷達(dá)成像的高分辨率是怎么實(shí)現(xiàn)的？
要從距離分辨力和方位分辨力兩個角度來說明。
距離分辨力
脈沖寬度越窄，距離上能達(dá)到的分辨力就越高（
?
?
2
），但是脈沖能做到多窄，必然受到一些限制。
首先是來自發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可能的頻帶寬度的限制。隨著脈沖變窄，需要的帶寬就要增加：
對于一個0.01μs的脈沖寬度，帶寬為100MHz左右。帶寬能做多寬取決于雷達(dá)的工作頻率，對任何一個頻率來說，要求的帶寬不可能無限制地增加，因?yàn)樵诘竭_(dá)某個值后，硬件會變得難以設(shè)計(jì)和制造，費(fèi)用會更加昂貴。簡而言之，帶寬增加的限制決定了脈寬變窄的限制。
其次，在峰值功率和PRF保持不變的條件下，發(fā)射窄脈沖會大大降低平均發(fā)射功率，當(dāng)然脈沖壓縮技術(shù)可以避免這個問題。
方位分辨力
方位分辨尺寸大致等于天線的3dB波束寬度乘以距離（類似弧長的計(jì)算），而3dB波束寬度大致等于波長比上天線長度。當(dāng)距離給定時，工作在極短的波長或采用長的天線，又或者二者同時采用，就能獲得高的方位分辨力。但是極短的波長面臨的大氣衰減會異常嚴(yán)重，另一方面機(jī)載雷達(dá)的天線又不可能做的太長。為了擺脫這個困境，合成孔徑雷達(dá)（SAR）應(yīng)運(yùn)而生。
展開 超表面高階微分器助力光學(xué)計(jì)算突破
該研究利用高階微分器的濾波特性，構(gòu)建了一種新型超分辨率探測器：
原理：將兩個點(diǎn)光源的高階微分信號與單模光纖（僅支持基模高斯光）耦合，通過測量功率變化反推光源間距。
結(jié)果：實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了0.015倍瑞利距離（約5 μm）的分辨能力，且三階微分比一階微分靈敏度更高（圖4）。這一精度已接近科學(xué)相機(jī)的像素尺寸（5.04*5.04 μm2），為半導(dǎo)體多層曝光工藝中的納米級光學(xué)對準(zhǔn)提供了可能。
圖4 高階微分光學(xué)超分辨的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（a）示出了實(shí)驗(yàn)裝置；（b）表示當(dāng)兩個點(diǎn)源之間的間隔距離改變時由所提出的超分辨率檢測器收集的信號。其中的頂部插圖示出了由CCD照相機(jī)直接捕獲的兩個點(diǎn)源的強(qiáng)度分布。
應(yīng)用前景：從圖像處理到納米制造
1.實(shí)時圖像處理
超表面微分器可集成于顯微鏡或攝像頭中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時邊緣增強(qiáng)、相位成像，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，無需染色即可觀察透明樣本的相位細(xì)節(jié)（如細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)）。
2.半導(dǎo)體納米制造
在芯片光刻工藝中，多層掩模的對準(zhǔn)精度直接決定電路性能。傳統(tǒng)光學(xué)對準(zhǔn)受限于衍射極限，而基于超表面的超分辨率探測器可將對準(zhǔn)精度提升至亞微米級（圖5）。研究團(tuán)隊(duì)甚至演示了200納米的位移檢測，未來通過優(yōu)化激光穩(wěn)定性與機(jī)械控制，有望進(jìn)一步突破至納米尺度。
圖5 亞微米尺度光學(xué)超分辨的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.量子成像與通信
PB超表面的偏振依賴性使其可與量子光源結(jié)合，用于量子圖像處理或高維光場調(diào)控，為量子通信和加密技術(shù)提供新思路。
未來展望
盡管該研究已取得顯著成果，仍有一些挑戰(zhàn)：
工作波段擴(kuò)展：當(dāng)前實(shí)驗(yàn)基于單一波長（如He-Ne激光），需驗(yàn)證寬帶性能。系統(tǒng)集成：4f成像系統(tǒng)仍較復(fù)雜，未來可將透鏡功能集成到超表面中，實(shí)現(xiàn)全平面光學(xué)計(jì)算。
展開 共聚焦顯微鏡：成像原理、功能、分辨率與優(yōu)勢解析
共聚焦顯微鏡作為一種高精度的成像技術(shù)，為這些領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的工具。
共聚焦顯微鏡成像原理
共聚焦顯微鏡的成像原理基于激光掃描和光學(xué)切片技術(shù)。通過使用光源，顯微鏡能夠?qū)悠愤M(jìn)行逐點(diǎn)掃描，并通過共軛孔徑系統(tǒng)排除非焦平面的光，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率的二維圖像。此外，通過逐層掃描，共聚焦顯微鏡還能夠構(gòu)建樣品的三維形貌。
功能介紹
共聚焦顯微鏡在材料測量領(lǐng)域的主要功能包括：
1、表面粗糙度分析：測量材料表面的微觀結(jié)構(gòu)和粗糙度。
2、層厚和深度測量：對多層材料系統(tǒng)中各層的厚度進(jìn)行精確測量。
3、缺陷檢測：識別材料中的微觀缺陷，如裂紋、孔洞等。
4、三維形貌重建：構(gòu)建材料表面的三維圖像，為材料特性分析提供更多維度的信息。
分辨率
共聚焦顯微鏡的分辨率是其核心優(yōu)勢之一。橫向分辨率可達(dá)到亞微米級別，而軸向分辨率則更高，通常在納米級別。這種高分辨率使得共聚焦顯微鏡能夠捕捉到材料表面的微小變化和細(xì)節(jié)，清晰地展示微小物體的圖像形態(tài)細(xì)節(jié)，顯示出精細(xì)的細(xì)節(jié)圖像。它更擅長微納級粗糙輪廓的檢測。
優(yōu)勢
1. 高精度測量：提供微米甚至納米級別的測量精度，滿足精密測量的需求。
2. 無損檢測：允許在不損傷樣品的情況下進(jìn)行測量，適用于貴重或敏感材料。
3. 多尺度分析：能夠同時觀察材料的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，提供全面的分析視角。
4. 實(shí)時成像：快速獲取材料表面的實(shí)時圖像，便于動態(tài)分析和過程監(jiān)控。
5. 軟件支持：配備專業(yè)軟件，便于數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，提高工作效率。
展開 Zemax案例 | 基于自由曲面的高分辨率成像光譜儀設(shè)計(jì)
仿真結(jié)果如圖5所示：圖5(a)驗(yàn)證了全視場內(nèi)所有波長的光斑RMS半徑均＜4μm；圖5(b)展示了像面的光斑分布，可見相鄰波長的光斑可清晰區(qū)分，最終實(shí)現(xiàn)0.015nm的光譜分辨率，優(yōu)于市面同類型商用光譜儀（通常為0.02nm以上）
圖5 系統(tǒng)的成像與光譜分辨評價
研究價值
該研究的創(chuàng)新之處，在于提出了一種“計(jì)算簡潔、邏輯清晰”的自由曲面設(shè)計(jì)方法——通過“離軸拋物面分段拼接”規(guī)避了傳統(tǒng)方法的經(jīng)驗(yàn)依賴，借助“Zernike多項(xiàng)式擬合”簡化了復(fù)雜計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)了“高成像質(zhì)量”與“高光譜分辨率”的雙重突破。
從應(yīng)用價值來看，該系統(tǒng)不僅可滿足環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域?qū)Α熬珳?zhǔn)探測”的需求，其設(shè)計(jì)思路還為其他光學(xué)系統(tǒng)（如大視場望遠(yuǎn)鏡、高精度成像鏡頭）的自由曲面設(shè)計(jì)提供了參考，推動自由曲面從“理論研究”向“工程應(yīng)用”的轉(zhuǎn)化。
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參考文獻(xiàn)：
[1]武艷艷，謝微.基于自由曲面的成像光譜儀設(shè)計(jì)［J］.光子學(xué)報(bào)，2025，54（8）：0811003
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ZEMAX | 使用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的衍射極限成像系統(tǒng)的分辨率
成像系統(tǒng)（例如顯微鏡）的衍射極限分辨率可以通過不同方式表征。在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計(jì)算的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF) 來客觀衡量這些成像系統(tǒng)的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點(diǎn)的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結(jié)構(gòu)編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。（聯(lián)系我們獲取文章附件）
簡介
成像系統(tǒng)的性能與其分辨率有關(guān)，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環(huán)相關(guān)[1]用于評估分辨率。在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準(zhǔn)則估算的[2]。在實(shí)踐中，這些系統(tǒng)的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預(yù)期分辨率，選定上述標(biāo)準(zhǔn)之一。這些微粒充當(dāng)形成 PSF 的點(diǎn)發(fā)源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計(jì)值，同樣，該尺寸根據(jù)其定義而變化。在本文中，我們使用 OpticStudio 中的 PSF 來更客觀地評估衍射極限成像系統(tǒng)的分辨率。
方法一：多重結(jié)構(gòu)編輯器（相干成像）
顯微鏡設(shè)計(jì)
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設(shè)計(jì)，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網(wǎng)站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設(shè)計(jì)。放大倍數(shù)為 4X，數(shù)值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實(shí)圖像高度”定義并指定了在 X 和 Y 半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應(yīng)于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm
2物理尺寸的科學(xué) CMOS (sCMOS) 探測器進(jìn)行建模。
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概要
成像系統(tǒng)（例如顯微鏡）的衍射極限分辨率可以通過不同方式表征。在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計(jì)算的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF) 來客觀衡量這些成像系統(tǒng)的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點(diǎn)的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結(jié)構(gòu)編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
簡介
成像系統(tǒng)的性能與其分辨率有關(guān)，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環(huán)相關(guān)[1]用于評估分辨率。在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準(zhǔn)則估算的[2]。在實(shí)踐中，這些系統(tǒng)的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預(yù)期分辨率，選定上述標(biāo)準(zhǔn)之一。這些微粒充當(dāng)形成 PSF 的點(diǎn)發(fā)源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計(jì)值，同樣，該尺寸根據(jù)其定義而變化。在本文中，我們使用 OpticStudio 中的 PSF 來更客觀地評估衍射極限成像系統(tǒng)的分辨率。
方法一：多重結(jié)構(gòu)編輯器（相干成像）
顯微鏡設(shè)計(jì)
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設(shè)計(jì)，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網(wǎng)站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設(shè)計(jì)。放大倍數(shù)為 4X，數(shù)值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實(shí)圖像高度”定義并指定了在 X 和 Y 半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應(yīng)于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm 2 物理尺寸的科學(xué) CMOS (sCMOS) 探測器進(jìn)行建模。
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成像系統(tǒng)（例如顯微鏡）的衍射極限分辨率可以通過不同方式表征。在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計(jì)算的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) (PSF) 來客觀衡量這些成像系統(tǒng)的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點(diǎn)的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結(jié)構(gòu)編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
簡介
成像系統(tǒng)的性能與其分辨率有關(guān)，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環(huán)相關(guān)[1]用于評估分辨率。在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準(zhǔn)則估算的[2]。在實(shí)踐中，這些系統(tǒng)的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預(yù)期分辨率，選定上述標(biāo)準(zhǔn)之一。這些微粒充當(dāng)形成 PSF 的點(diǎn)發(fā)源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計(jì)值，同樣，該尺寸根據(jù)其定義而變化。在本文中，我們使用 OpticStudio 中的 PSF 來更客觀地評估衍射極限成像系統(tǒng)的分辨率。
方法一：多重結(jié)構(gòu)編輯器（相干成像）
顯微鏡設(shè)計(jì)
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設(shè)計(jì)，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網(wǎng)站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設(shè)計(jì)。放大倍數(shù)為 4X，數(shù)值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實(shí)圖像高度”定義并指定了在 X 和 Y 半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應(yīng)于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm2物理尺寸的科學(xué) CMOS (sCMOS) 探測器進(jìn)行建模。
展開 昆工《AFM》：一種可用于高分辨X射線成像的高性能聚合物陶瓷！
圖5.a)用于X射線成像長期應(yīng)用的損傷修復(fù)鈣鈦礦薄膜示意圖。
b)研究的閃爍體在自然和紫外光照射下的損傷修復(fù)過程.c)X射線成像質(zhì)量的論證取決于閃爍體的質(zhì)量。
綜上所述，本文實(shí)現(xiàn)了適用于多種場合高分辨率X射線探測的柔性透明鈣鈦礦型聚合物陶瓷。獲得高性能聚合物陶瓷的關(guān)鍵是聚合物PMMA的高粘度環(huán)境，這保證了CsPbBr3 PNC的均勻成核和結(jié)晶，沒有團(tuán)聚和Ostwald熟化。閃爍屏的圖像空間分辨率可達(dá)12.5lp mm?1，探測下限為120nGys?1。此外，該閃爍屏的靈活性使其能夠?qū)Σ灰?guī)則物體進(jìn)行高分辨率成像。此外，本文還注意到，在高劑量X射線輻射的影響下，損傷的CsPbBr3 PNC可以通過后退火處理完全恢復(fù)。因此，高性能聚合物陶瓷可以長期應(yīng)用于高分辨率X射線成像。
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