超分辨率顯微鏡的案例
大數值孔徑顯微鏡極限分辨率的研究
光學測量＞顯微
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說明：光源
說明：透鏡系統
說明：樣品結構
說明：探測器
結果：3D光線追跡
結果：光線追跡
結果：光線追跡衍射級數
結果：場追跡采樣平面
結果：場追跡焦平面
結果：減小光柵周期
隨著光柵周期的減小，光柵結構不能被分辨。
文檔和技術信息
[VirtualLab] 用瑞利準則研究顯微鏡物鏡的分辨率
摘要
我們通常可以遵循1896年John William Strutt提出的的“瑞利判據”理論來表征顯微鏡的分辨率。 該理論定義了當一個艾里斑的中心與另一個艾里斑的第一個最小值重疊時，它們就可以被分辨。 在此示例中，我們遵循Rayleigh的理論，并檢查了具有不同數值孔徑（NA）值的顯微鏡物鏡的分辨率。
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通過Debye-Wolf積分評估理想鏡頭
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- Analyzing High-NA Objective Lens Focusing
- Debye-Wolf Integral Calculator
- Investigation of Idealized Vectorial Focusing Situation Using Debye-Wolf Integral
展開 共聚焦顯微鏡：成像原理、功能、分辨率與優勢解析
共聚焦顯微鏡作為一種高精度的成像技術，為這些領域提供了強大的工具。
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切片技術。通過使用光源，顯微鏡能夠對樣品進行逐點掃描，并通過共軛孔徑系統排除非焦平面的光，從而實現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建樣品的三維形貌。
功能介紹
共聚焦顯微鏡在材料測量領域的主要功能包括：
1、表面粗糙度分析：測量材料表面的微觀結構和粗糙度。
2、層厚和深度測量：對多層材料系統中各層的厚度進行精確測量。
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勢之一。橫向分辨率可達到亞微米級別，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節，清晰地展示微小物體的圖像形態細節，顯示出精細的細節圖像。它更擅長微納級粗糙輪廓的檢測。
優勢
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構，提供全面的分析視角。
4. 實時成像：快速獲取材料表面的實時圖像，便于動態分析和過程監控。
5. 軟件支持：配備專業軟件，便于數據的采集、處理和分析，提高工作效率。
展開 通過瑞利判據對顯微鏡物鏡進行分辨率研究
摘要
通常可以采用瑞利判據理論表征顯微鏡的分辨率，瑞利判據是1896年由第三代瑞利男爵約翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt)提出的。該理論認為，當一個艾里圖樣的中心與另一個艾里圖樣的第一個最小值重疊時，就可以分辨它們。在這個例子中，我們根據瑞利的理論，檢驗不同數值孔徑(NA)顯微物鏡的分辨率。
建模任務
真實物鏡的評估
真實物鏡的評估
用德拜-沃爾夫積分法評價理想透鏡
用德拜-沃爾夫積分法評價理想透鏡
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延伸閱讀
- 分析高NA物鏡聚焦
- Debey-Wolf積分計算器
- 用德拜-沃爾夫積分研究理想矢量聚焦情況
展開 
用瑞利準則研究顯微鏡物鏡的分辨率
我們通常可以遵循1896年John William Strutt提出的的“瑞利判據”理論來表征顯微鏡的分辨率。 該理論定義了當一個艾里斑的中心與另一個艾里斑的第一個最小值重疊時，它們就可以被分辨。 在此示例中，我們遵循Rayleigh的理論，并檢查了具有不同數值孔徑（NA）值的顯微鏡物鏡的分辨率。
摘要
VirtualLab應用：大數值孔徑顯微鏡極限分辨率的研究
光學測量＞顯微
任務/系統視圖
亮點
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說明：光源
說明：透鏡系統
說明：樣品結構
說明：探測器
結果：3D光線追跡
結果：光線追跡
結果：光線追跡衍射級數
結果：場追跡采樣平面
結果：場追跡焦平面
結果：減小光柵周期
隨著光柵周期的減小，光柵結構不能被分辨。
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-近期推薦 -
浙大：一種全新三維光學超分辨顯微鏡
近日，浙江大學光電科學與工程學院劉旭教授和匡翠方教授課題組提出了一種新穎的光學成像技術——多角度干涉顯微鏡（MAIM），實現了對生物體內活細胞的多色、長時程、高速和三維超分辨成像，為微管、內質網、線粒體和細胞膜等亞細胞器的生物動力學分析提供了有力的研究工具。這項研究發表在知名期刊《自然·通訊》上。
研究從諾貝爾獎開始
沈復在《浮生六記》中曾寫道，余憶童稚時，能張目對日，明察秋毫，見藐小之物必細察其紋理，故時有物外之趣。
到了現代社會，要看清楚微觀世界，人們研究出了顯微鏡。
2014年的諾貝爾化學獎頒發給了超分辨熒光顯微技術的發明者，這一技術利用特定的熒光染料實現光學的超分辨，突破衍射極限，到達200納米以下的尺度。科學家們可以通過光學顯微鏡，看到細胞的精細結構。然而，這項技術也有自己的弊端，比如對熒光染料有特殊的擦除或者開關效應要求，或需要獲取成百上千張原始圖像以重構超分辨圖像，因此成像時間較長。短則十幾秒，長則幾十分鐘才能獲得一張超分辨圖像，對于捕捉活細胞的運動瞬間仍舊困難重重。
與此同時，現有超分辨顯微還有一個較大的瓶頸是，在大多數情況下，成像需要很強的激發光，這對細胞，尤其是活細胞來說很不友好，常常會將細胞殺死。而且強光照射也會導致熒光分子被快速漂白，無法對活細胞進行長時程成像。
展開 《Nature》重磅：超高分辨率的定位原子力顯微鏡（AFM）！
對于通常用于成像生物樣本的探針，z方向(地形)的分辨率約為1 ?，而x、y方向的橫向分辨率約為1 nm，基本上受探針幾何形狀和探針-樣本相互作用力的限制。當對較軟的樣品成像時，由于尖端和柔性蛋白質結構之間的接觸面積增加，橫向分辨率進一步降低。由于這些限制，生物樣品的亞納米橫向分辨率僅被報道為二維(2D)晶體，并被證明是由于周期性尖端卷積效應高估。為了規避這些限制，人們提出了尖端反褶積算法，它可產生銳化的圖像，但也可能引入人工干擾。
定位顯微鏡方法，也被稱為超分辨熒光顯微鏡，如隨機光學重建顯微鏡(STORM)和光激活定位顯微鏡(PALM)，已經提供了對細胞的結構和大分子組裝的細節洞察。通過在多幅圖像中分離和定位高空間精度的激發熒光信號源，可以重建高橫向分辨率的地圖，將由光的衍射極限所設定的~400 nm分辨率限制降低到約20 nm。
在此，研究者受以上熒光定位顯微鏡方法的啟發，開發了LAFM，將定位算法應用于AFM和HS-AFM圖像中形貌特征的空間波動。與X射線結構和分子動力學(MD)模擬的比較表明，這種方法可以揭示埃米范圍內的高分辨率蛋白質表面細節。通過對高速AFM和傳統AFM數據中峰值位置的圖像重建算法，提高了超出尖端半徑限制的分辨率，并在自然和動態條件下對軟蛋白表面的單個氨基酸殘基進行了解析。LAFM可以通過長時間獲得的多個分子圖像或單個分子的多幅圖像計算高分辨率地圖，促進了單分子結構分析。因此，LAFM是一種可應用于任何生物分子AFM數據集的采集后圖像重建的方法。
圖1 LAFM原理。
圖2 AqpZ和A5的LAFM。
圖3 CLC-ec1的HS-AFM成像和LAFM工作流程。
圖4 在中性和酸性pH值下CLC-ec1的構象變化。
展開 通過瑞利判據對顯微鏡物鏡進行分辨率研究
通常可以采用瑞利判據理論表征顯微鏡的分辨率，瑞利判據是1896年由第三代瑞利男爵約翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt)提出的。該理論認為，當一個艾里圖樣的中心與另一個艾里圖樣的第一個最小值重疊時，就可以分辨它們。在這個例子中，我們根據瑞利的理論，檢驗不同數值孔徑(NA)顯微物鏡的分辨率。
摘要
通過瑞利判據對顯微鏡物鏡進行分辨率研究
摘要
通常可以采用瑞利判據理論表征顯微鏡的分辨率，瑞利判據是1896年由第三代瑞利男爵約翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt)提出的。該理論認為，當一個艾里圖樣的中心與另一個艾里圖樣的第一個最小值重疊時，就可以分辨它們。在這個例子中，我們根據瑞利的理論，檢驗不同數值孔徑(NA)顯微物鏡的分辨率。
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展開 我國成功研制高端超分辨光學顯微鏡
據新華社報道，由中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所承擔的國家重大科研裝備研制項目“超分辨顯微光學核心部件及系統研制”26日在蘇州高新區通過驗收，標志著我國已經成功研制出高端超分辨光學顯微鏡。
驗收專家組組長、中科院高能物理所柴之芳院士認為，該項目的成功實施，改善了我國高端光學顯微鏡基本依賴進口的狀況，對滿足我國前沿基礎研究的定制化需求、提升創新能力，以及推動我國光學顯微鏡行業轉型升級具有重要意義。
在科學研究中,高/超分辨光學顯微鏡發揮著至關重要的作用,10納米至100納米尺度的超分辨顯微光學成像更是取得原創性研究成果的重要手段。超分辨光學成像(Super-resolution Optical Microscopy)是本世紀光學顯微成像領域最重大的突破，打破了光學顯微鏡的分辨率極限（換言之，超越了光學顯微鏡的分辨率極限，故被稱為超分辨光學成像）
歷時5年攻關,中科院蘇州醫工所科研人員突破大數值孔徑物鏡、特種光源、新型納米熒光增強試劑、系統集成與檢測等關鍵技術；研制出激光掃描共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡、受激發射損耗(STED)超分辨顯微鏡、雙光子-STED顯微鏡等高端光學顯微鏡整機；建成了高端顯微光學加工、裝調、檢測以及顯微鏡整機技術集成工程化平臺。
據了解，項目組發表相關論文61篇，授權發明專利35項，已授權實用新型專利56項，培養了一支集光學、機械、電子、計算機、軟件、材料等領域的超分辨顯微光學技術研發與工程化開發團隊，為我國高端光學顯微鏡的發展提供了系統解決方案。中科院蘇州醫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、以色列及國內多家研究機構投入使用并取得部分成果。
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展開 [NEWSLETTER] 受激發射損耗（STED）顯微鏡
超分辨率顯微鏡——光學系統，可以達到超過眾所周知的阿貝衍射極限——已經有了廣泛的用途，因為獲得最大可能的分辨率是該領域的關鍵目標之一。實現這一目標的一種方法是受激發射損耗（STED）的概念。在這里，熒光樣品由兩個激光照射，其中一個由相位板塑造成甜甜圈模式。通過化學過程，樣品重新發出的光將只來自甜甜圈模式的中心點，這可以配置為比經典的焦點小得多，從而提高了圖像的分辨率。
光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion在一個單一平臺上集成了完全可交互的不同仿真算法，為光學工程師提供了所有必要的工具來充分研究這類系統，包括所有相關的影響。
在下面的文檔鏈接您會找到一個STED顯微鏡的演示以及詳細查看我們的復合光源，對于這個例子有特別重要的特性，因為它提供了充分的自由度來定義系統中的多個發射源并根據需要為了隔離可能產生的不同的影響而獨立控制每個發射源的開關。
受激發射損耗（STED）顯微鏡工作原理
在這個用例中，演示了STED顯微鏡的工作原理。兩束激光束傳播到焦平面，其中飽和耗盡效應近似為一個軟孔徑。
基于VirtualLab Fusion的復合光源仿真
本文檔說明了如何在VirtualLab Fusion中使用復合光源。
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：使用點擴散函數的衍射極限成像系統的分辨率
成像系統（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中計算的點擴散函數 (PSF) 來客觀衡量這些成像系統的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點的PSF的兩種方法。 第一種方法使用多重結構編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優缺點。
成像系統的性能與其分辨率有關，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環相關[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則估算的[2]。在實踐中，這些系統的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預期分辨率，選定上述標準之一。這些微粒充當形成PSF的點發源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據其定義而變化。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的分辨率。
方法一：多重結構編輯器（相干成像）
顯微鏡設計
在整篇文章中，我使用了基于TL4X-SAP物鏡（4X，0.2 NA）和TTL200管鏡的顯微鏡設計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由THORLABS網站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由THORLABS的黑匣子元件組成的顯微鏡設計。放大倍數為4X，數值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實圖像高度”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 CMOS (sCMOS) 探測器進行建模。這些探測器通常用于顯微鏡，可以在Orca-Flash4.0 V3 (Hamamatsu) 或Zyla 4.2 plus (Andor) 等相機產品中找到。
展開 Ansys Zemax | 使用點擴散函數的衍射極限成像系統的分辨率
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成像系統（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 中計算的點擴散函數 (PSF) 來客觀衡量這些成像系統的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結構編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優缺點。
簡介
成像系統的性能與其分辨率有關，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環相關[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則估算的[2]。在實踐中，這些系統的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預期分辨率，選定上述標準之一。這些微粒充當形成 PSF 的點發源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據其定義而變化。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的分辨率。
方法一：多重結構編輯器（相干成像）
顯微鏡設計
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設計。放大倍數為 4X，數值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實圖像高度”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 CMOS (sCMOS) 探測器進行建模。
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