论文部分内容阅读
作为生命科学研究的重要工具，光学显微镜的每一次改进都极大地促进了生命科学的发展，尤其是荧光显微镜以其无损、非入侵、特异性标记及可以对活体细胞进行实时动态成像的优势，在生命科学研究中得到了广泛的使用。然而作为远场光学显微镜的一种，荧光显微镜的极限分辨率受到衍射极限的限制，在横向上约为200nm-300nm、纵向上约为500nm-700nm，限制了其在亚细胞水平生命科学领域中的应用。为了突破衍射极限对荧光显微镜分辨率的限制，一系列新颖的超分辨显微成像方法被提出。本文在调研目前常见的超分辨荧光显微成像技术的基础上，从原理、图像重构算法和实现装置三个方面对二维结构光照明荧光显微镜做了深入的概述，重点研究了二维结构光照明荧光显微镜。主要研究内容为：（1）基于利用物镜衍射效应产生余弦结构照明光的思想，在Olympus IX83研究级倒置荧光显微镜上，以LED作为光源、以数字微镜阵列（Digital Micro-mirror Device, DMD）作为结构光调制器，设计并搭建了二维结构光照明荧光显微成像系统，实现DMD芯片的均匀照明及产生的调制光与显微镜镜体之间的耦合；对实测条纹进行余弦拟合，发现条纹间的位相差与预设值的偏差最大为6.8%，空间频率的最大偏差为0.2%，通过计算机仿真发现该幅度内的偏差对重构图像不会产生明显影响，搭建的结构光照明光路能够对照明条纹进行稳定地控制。（2）在深入分析二维结构光照明荧光显微镜图像重构原理的基础上，对重构算法中涉及的高频信息分离方法做了优化，在空域中实现三位相图像重构算法，并将基于空域处理和基于频域处理的三位相图像重构算法和基于空域处理的四位相图像重构算法程序化；在无噪声干扰和有噪声干扰两种情况下对重构算法程序做了计算机仿真，结果表明，两种情况下重构图像的分辨率均得到显著提高，并与理论计算出的重构图像分辨率基本一致，另外，改进后的基于空域处理的三位相图像重构算法相比于基于频域处理的三位相图像重构算法，在相同条件下图像重构速度得到明显提高。（3）利用100nm的荧光小球和肌动蛋白微丝（Actin Filaments）样品对搭建的二维结构光照明荧光显微成像系统及编写的图像重构算法程序进行测试；测试结果表明，采用条纹周期近似为1100nm的余弦结构光照明100nm的荧光小球样品时，可以将图像的分辨率从584nm提高到442nm，相对于常规照明方式获取的肌动蛋白微丝图像，重构图像能够相应的提高图像的分辨率。