基于数字工程照明的超分辨方法与技术

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随着科学技术的发展,物体细节信息的重要性日益凸显。相比于电子显微镜,光学显微镜拥有非接触、无损伤、可探测样品内部信息的特点,这些特性使光学显微镜在生命科学研究中大受欢迎。但衍射极限的存在使分辨率受到限制。在科研人员的不懈努力下,许多实现超分辨的光学显微成像方法被实现,包括受激发射损耗显微技术(STED)、结构照明显微技术(SIM)、光激活定位显微技术(PALM)和随机光学重构显微技术(STORM)。相比于其他的超分辨显微方法,SIM适用于各种不同的荧光标记的样品,成像速度快,所需光源强度低,这些特点使SIM在实时观测样品的生命活动上具有非常大的优势。  本文基于可编程数字微镜器件(DMD)设计搭建了结构光照明超分辨荧光显微系统,且设计编写并验证了线性SIM和盲SIM的超分辨复原算法,通过实验结果,验证了光路和算法的有效性。本文主要完成的工作和成果包括:  1.研究SIM的成像原理,编写适用相应的仿真程序,进行仿真,并与宽场图进行对比,说明超分辨的效果。  2.搭建和设计光学系统中的结构光生成光路和成像光路,进行详细的理论分析和实际光路展示。  3.提出了一种荧光成像的超分辨复原新算法,该算法结合随机图样照明、图样估算算法和傅里叶层叠算法(FP),我们称之为图样估算傅里叶层叠法(Pattern-estimated Fourier ptychography,PEFP)。该方法不需要控制散斑照明的形状,相比原始的图样照明傅里叶层叠算法(pattern-illuminated Fourier ptychography,piFP),不需要知道散斑扫描位置的先验信息,对旋转误差和位移误差不敏感。为了进一步证明该方法的效果,我们将该算法与现有的盲SIM复原算法PE-SIMS-PR算法做了比较,PEFP可以实现更好的分辨率,而且,由于PEFP算法中引入了像差校正,所以我们的方法在像差矫正方面也具有优势。
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