SCMOS相机 光束分析仪 DMD 光纤束 合束激光器 共焦 拉曼光谱仪 锁相放大器 无掩膜光刻机 高光谱相机
un穿透动态散射介质的非侵入性超分辨率成像技术背景:超越衍射极限分辨率的光学成像技术推动了细胞内研究和单分子水平化学反应研究的发展。超分辨率受激发射损耗显微镜可以实现具有超高时空精度的三维成像。对于单分子检测和定位技术,如随机光学重建显微镜或光激活(photo-actived)定位显微镜,可光开关探针(photo-switchable probes)的位置定义为衍射极限点的中心位置。多次重复成像过程,每一次对不同的随机激活荧光团成像,可以实现纳米级的重建分辨率。然而,对样品透明性的要求,使得这些超分辨显微镜技术不可能用于被强散射介质(如生物组织、磨砂玻璃、粗糙墙角等)掩埋的物体。这些介质对光的 ...
级数的多重光散射逆问题求解器技术背景:散射理论描述了波与物质的相互作用,并用于物理和工程应用的各个领域。散射理论主要划分为两类问题:正向(forward)问题和逆向(inverse)问题。正向问题涉及从已知的结构化介质计算散射场,而逆向问题涉及从一个已知的散射场求结构化介质。当前已经有了数个被广泛使用的正向求解器,如有限差分时域(finite -difference time-domain,FDTD)法就是其中之一。相比之下,逆向问题被认为要比正向问题的求解更具挑战性(即便附加各种近似和假设前提),这是因为逆向问题是病态(ill-posed)的,并且计算复杂。技术要点:基于此,韩国KAIST的 ...
基于受激拉曼散射显微镜的高灵敏度无标记生物医学成像技术背景:因为各种化学键有其特征频率,使得基于红外吸收和拉曼散射的振动显微术可被用作为无标记对比度机制。然而使用长波长的红外显微镜的分辨率不够,使用短激发波长的自发拉曼散射显微镜尽管有高分辨率,但是其灵敏度不够,成像速度不足。相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)显微镜的灵敏度要高于自发拉曼散射显微镜,但是因为非共振背景的存在,限制了其探测灵敏度。受激拉曼散射(stimulated raman scattering,SRS)于1968年初次观测到,随后在许多光谱研究中得到广 ...
射型三维物体散射回的光束,作为物光。物光和参考光由分束镜合束在一个无透镜探测器矩阵上形成干涉信号。系统原理图见图1。探测器阵列记录时域的干涉图,每一个像素在记录干涉图的同时获取所有光谱元素。每一个像素的干涉图经过傅里叶变换得到复数频谱(图2b)。所有像素在经傅里叶变换后得到的每一个频率下的复数频谱一起构成全息图超立方体(hypercube),全息图的数目与梳线数一致(图2c)。在某一频率下的全息图重建使用逆菲涅耳变换在对焦距离下完成重建,获得不同对焦距离下的振幅和相位重建图(图2d)。因为全息信号和零阶以及共轭像分处不同的频率范围。因此,同轴全息也能获得无零阶像和共轭像干扰的重建像。图2中两个 ...
斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)、二次谐波生成(second harmonic generation,SHG)、双光子激发荧光(two-photon excited fluorescence,TPEF)的多模非线性显微镜,可以实现离体生物样本的分子组成和形态信息的高灵敏和高特异性无创无标记检测(区分恶性组织和良性0组织)。当前不足:完成多模非线性显微镜有以下挑战:(1) 光纤耦合的高功率超快激光源(具有风冷、坚固、紧凑、便携特性);(2) 在长距离上的使用光纤进行超短脉冲激光传输和信号采集,要求具有低损耗;(3) 置于内窥 ...
ptical散射体丰富的模态特性使得其比DOE具有更多的能力,如偏振、频率、角度多路复用等。meta-optics可以使用广泛可用的集成电路代工技术制造(如深紫外光刻(DUV)),而无需基于聚合物的DOE或二元光学器件中使用的多个蚀刻步骤、金刚石车削或灰度光刻(grayscale lithography)。尽管meta-optics优势很大,且在用于成像、偏振控制、全息的平面光学器件中得到应用,但是当前其缺陷也很明显。受限于meta-optics赋予的不连续的相位分布,产生了严重的、波长相关的像差,使得现有的超表面成像方法比基于折射元件的镜头在图像重建误差上要高出一个数量级。色散工程(disp ...
于吸收衰减和散射干扰。吸收损耗决定了我们能否捕捉到信号,而散射信号总是降低图像的清晰度。此外,生物组织过度吸收光可能会导致组织损伤。一些生物分子的自发荧光总是与有用信号混合在一起,最终成为拍摄图像的背景。因此,光吸收和散射对荧光图像采集完全有害的根深蒂固的信念促使大多数研究人员追求具有最小光子吸收和散射的完美窗口用于生物成像。基于第二近红外窗口(NIR-II)的生物荧光成像被普遍公认为具有更小的光子散射,从而图像质量佳。特别是检测体内的深层信号时更倾向于这种窗口选择策略。NIR-II窗口的定义一直被限制在1000-1700nm,促使各种NIR发射器(emitters)的峰值发射波长超过1000 ...
深度受到组织散射的限制。波前整形技术原则上能够克服这个问题,但通常速度较慢,并且其性能取决于样本。这大大降低了它们在生物应用中的实用性。在这里,作者提出了一种基于三光子激发的散射补偿技术,它比类似的双光子技术收敛得更快,并且即使在双光子方法失败的密集标记样本上也能可靠地工作。F-SHARP进行深层组织散射补偿作者:Caroline Berlage, Malinda L. S. Tantirigama, ...Benjamin Judkewitz链接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.4402795.标题:通过微转移印刷实现氮化硅上的VCSEL光子集成电路简介:证明了 ...
如,可以使用散射层代替透镜。每一个散射层代表优化后的振幅或相位调制调制,以一定间隔安装,以实现全光分类算法。有趣的是,更复杂的优化非均匀介质形状可用于实现循环神经网络,例如元音分类。然而,这并不是我们可以利用散射介质的唯一配置。在许多情况下,光在密集、复杂的介质中的传播类似于将输入场与随机矩阵混合。这代表了一个有趣的计算操作,并且已被证明几乎是压缩感知的理想选择。在这类应用中,每个输出像素都是输入的随机投影,很像单像素相机范式(paradigm) 。这种方法还保留了大量信息,允许在没有成像的情况下从深度上恢复一些功能信号(具体指的是从深层散射组织中恢复功能性荧光信号),这对于神经科学来说可能特 ...
息图形成了与散射表面分离的点。相反,立体显示器可具有与图像点位于同一位置的散射表面。术语“立体显示”用于描述“允许从物理体积内的一组局部和特定区域产生、吸收或散射可见辐射”的设备。美国光学学会的显示技术技术小组提出了对这个定义的改进,它指明立体显示器具有与光散射(或吸收和生成)表面位于同一位置的图像点。这种微妙的区别突出了立体显示器的雕塑般的物理性和如何产生其呈现“深度而不是深度线索”的独特能力。在立体系统中,我们知道只有三种这样的显示器已在自由空间中得到成功演示:诱导等离子体显示器(induced plasma display)、改进的空气显示器和声学悬浮显示器。等离子显示器尚未展示RGB颜 ...
对动态的光学散射介质内部成像(如人体组织)是生物医学光学领域的核心挑战。 在过去的几十年里,研究人员已经开发了各种各样的技术手段来不同程度的应对这一挑战。其中包括共聚焦和非线性显微技术(现在可以以亚细胞分辨率对1毫米深的组织成像)、新型波前整形、飞行时间漫射光学(TOF diffuse optics)、光声技术(成像深度扩展到厘米级,分辨率较低)等。动态散射样品(由热变化和细胞运动引起的微观运动)的光学散射特征会随时间快速变化,为有效的活体深层组织成像带来了挑战。一种可行的策略是直接测量散射样品的内部动态,利用这些动态变化来辅助成像。例如,在此类方法中,主要目标不是形成基于强度的光吸收或荧光发 ...
积方法基于光散射、发射或吸收表面。它们在显示器周围的任何地方提供不受限制的可见性,并且可以使用旋转表面(主动或被动)、等离子体、空气显示器和光泳阱来创建。然而,这些方法不能重建声音和触觉。迄今为止报道的声学悬浮显示器仅展示了以降低的速度控制减少的点数,并且不涉及触感或可听见的声音。技术要点:基于此,英国萨塞克斯大学的Ryuji Hirayama等人提出了一种多模声阱显示(multimodal acoustic trap display, MATD),观察人员可以同时从显示体积周围的任何点看到半空中的视觉内容,并从该体积接收听觉和触觉反馈。(1) 基于声镊技术,使用超声波辐射力捕获粒子(声镊可以 ...
,光的吸收和散射都很弱,由细胞厚度或折射率变化来改变入射光波的位相分布。而人眼只能感受光强的变化,不能辨别位相变化。 解决这一困难需要将位相变化转化为强度的变化。生物学家采用对透明细胞的染色技术达到这一目的。但是,染色会对细胞的健康、结构等带来一系列影响,使得我们不能在显微镜下如实的观察细胞的生命过程。Zernike发明的相衬显微镜通过改变直接透射光和相位物体微弱的散射光之间的位相关系,将空间的位相变化转换成人眼可观测的强度变化,使得透明相位物体无需染色即可清晰的观察其内部细节。然而,相衬显微镜只能定性观察,不能得到定量的结果。定量结果需要定量相位成像。定量相位成像最近已成为一个活跃的领域,并 ...
和样本出射的散射光之间的相移)图像(见图2a)。以 π⁄2 的相移增量,记录与各个相移相关的四个强度帧,利用四个强度图像,将入射场和散射场的幅度从相位信息中解耦,并获得与样本相关的定量相位图(见图2b)。由于 SLIM 是共轴光路,相位测量在几分之一纳米路径长度内非常稳定。 相衬显微镜采取白光照明,SLIM 图像没有散斑,从而具有亚纳米空间光程灵敏度。 这些属性使 SLIM 非常适合在载玻片上成像病毒颗粒的挑战性任务。 图2c说明了与传统相差显微镜相比,SLIM 中对比度的显著提升。(3)分辨率提升:由于成像系统的分辨率只有约335nm,而本文所用的单个病毒的平均直径小于150nm,所以需要通 ...
明的相干拉曼散射显微镜,可以打破散粒噪声限制,提高信噪比、灵敏度和成像速度。在对细胞内部进行成像时,信噪比提高了 35%。结合亚波长分辨率和高灵敏度(提升14%),可以看到原本会被散粒噪声掩埋的生物特征。利用量子关联可以避免光致损伤。消除了相干拉曼显微镜和更广泛的高性能显微镜进一步发展的根本障碍。原理解析:(1)借助压缩态光场的光学测量可以突破散粒噪声极限,通过明亮压缩光源与相干拉曼显微镜结合,可以实现突破散粒噪声限制的成像效果。显微镜采取倒置结构,集成了传统明场成像和量子增强受激拉曼成像(如图1a)。选用近红外波长减小生物样品的激光吸收和光损伤。图1a左为泵浦光生成部分,中为受激拉曼散射生成 ...
光减弱、光子散射减少和较长波长光子吸收水平低等原因。使用 NIR-II区窗口时成像性能的显著提升包括跨厘米级组织的光检测、毫米深度下的微米级分辨率和目标与背景的高对比度,所有这些都可以实时实现。因为缺乏合适的成像仪器和光学探针,NIR-II 成像尚未在临床环境中进行测试。虽然已经开发了多种 NIR-II区光学探针,包括纳米粒子、有机聚合物和小分子染料,但这些都没有在临床上进行过测试。近来,已发现常规NIR-I染料ICG和IRDye800CW在NIR-II窗口显示出尾部荧光,进一步证明临床使用的ICG适用于在小动物模型中具有高性能的NIR-II成像。这些发现为 NIR-II 成像的临床转化铺平了 ...
特定偏振态的散射光通过。偏振光耦合进光纤后,光纤受外部环境影响会改变其中背向散射光的偏振态,能够经过检偏器的光就发生了变化。就可以据此探测光纤的扰动传感。从应用上来看,POTDR主要是测量与光纤中光波偏振态有关的物理量,在电压测量、持续振动、快速扰动及光纤中偏振模色散测量中有所应用。利用光纤的二阶横向电光效应,把单模光纤或液体芯光纤弯曲成螺旋型,放置在高压线路附近。电压会引起光纤中光波偏振态的变化。光纤在弯曲成螺旋形时,离线路越远,螺纹间距越大,高频率的振动测量,使用POTDR也是不错的选择。基于频谱分析的POTDR系统具有灵敏度高,对外界干扰反应及时、抗噪能力强,可测量频率高达5kHz的振动 ...
中,阻断瑞利散射,并将拉曼信号传输到光谱仪中,长通滤光片是测量斯托克斯分量的常用滤光片。但是随着入射角度的增大,边缘截止波长会出现蓝移,且随着入射角的增加,s和p偏振的边缘移动量不一致,使得他们不适合于共振拉曼谱测量。如下图1a所示,入射角增大到30°时边缘蓝移约20 nm,且s偏振和p偏振表现出了7 nm的分裂,说明不适用于可调谐激发。图1b所示的TLP滤光片可在0-60°范围内偏转并不降低边缘陡度,且在全量程范围内提供OD>6的光密度和90%以上的传输,可调谐波长可覆盖400-1100 nm,很适合于可调谐激光光源拉曼测试。图1如下图2a所示,一个超连续激光光源(400-2400 n ...
(生物组织光散射的减少,正比于激发波长的四次方)。原理简介:(1)当同时到达样品上的两个或更多的光子的能量之和满足荧光基团从基态跃迁到激发态的能量要求时,多光子激发发生。荧光信号可以是进入生物样品的外源探针(Hpechst,AlexaFluor488等),也可以是内源分子(NAD(P)H或逆转录荧光蛋白)。(2)多光子成像对二次谐波(Second harmonic generation, SHG)生成敏感,即两个光子瞬间将它们的能量转移到一个波长减半的光子上。二次谐波生成不需要荧光基团,但要求分子结构是高度有序和特别对称的。最常见的满足二次谐波生成的生物结构是胶原。(3)多光子成像是一种非线性 ...
曼反斯托克斯散射)可用作对比机制,以提供生物样品的补充信息。在相干非线性显微镜中,信号和散射方向由激发场分布和样品微观结构之间的相互作用产生,因此,定量图像解释需要建模描述。当前不足:现有的基于角谱表示(ASR)计算聚焦点附近的激发场分布,基于格林函数(Green)将非线性响应从聚焦区域传播到探测器平面的模拟策略及已建立的大多数数值模型忽略了焦点附近样品光学异质性引起的场的失真的影响。解决方案:巴黎理工学院的Josephine Morizet和Nicolas Olivier等人将有限差分时域(FDTD)方法(FDTD已被用于模拟宽场、共聚焦、相衬等多种显微镜,还用于计算光通过骨骼或脑组织传播时 ...
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