Review on methods of solving the refractive index-thickness coupling problem in digital holographic microscopy of biological cells
数字全息显微镜是一种蓬勃发展的成像方式，吸引了相当大的研究兴趣，在定量生物细胞成像，由于其能力，不仅创造优秀的无标记对比度，但也提供有价值的物理信息的密度和尺寸的样品与纳米尺度的轴向灵敏度。该技术记录样品光束和参考光束之间的干涉图案，并且通过数字处理它，可以重建这些光束之间的光路延迟。对于每个空间点，光路延迟图与样品物理厚度和样品的积分折射率的乘积成比例。由于细胞的折射率指示其内容物而不需要标记，因此将细胞物理厚度与其折射率分布解耦是非常有益的。本文综述了从数字全息显微镜测量细胞中提取折射率的各种方法。一旦细胞的折射率可用，它可以用于生物测定或医学诊断，如本文所述。
2019-04-02 physics.bio-ph physics.optics
High-resolution single-shot phase-shifting interference microscopy using deep neural network for quantitative phase imaging of biological samples
白光相移干涉显微术（WL-PSIM）是用于工业和生物样品的高分辨率定量相位成像（QPI）的重要技术。然而，在WL-PSIM中，基本上需要具有精确相移的多个干涉图来测量物体的精确相位。在这里，我们提出了使用过滤白光相移干涉显微镜（F-WL-PSIM）和深度神经网络（DNN）进行精确相位测量的单次相移干涉技术。这些方法通过训练DNN生成1）四个相移帧和2）来自单个干涉图的直接相位来合并。网络的训练是在两个不同的样本上进行的，即，光波导和MG 63骨肉瘤细胞。此外，F-WL-PSIM+DNN框架的性能通过比较从网络生成的和实验记录的干涉图中提取的相位图来验证。目前的方法可以进一步加强QPI技术的高分辨率相位恢复使用一个单一的帧不同的生物医学应用。
2021-05-03 eess.IV physics.optics
Holographic microscopy for the three-dimensional exploration of light scattering from gold nanomarkers in biological media
探索了用40 nm金纳米标记物标记的暗场照明活3T3细胞的光散射的3D结构。为此，我们使用一个高分辨率的全息显微镜结合离轴外差几何和相移采集的数字全息图。使用提供纵向不失真3D图像的新颖3D重建方法获得图像。散射场的3D重建的比较研究允许我们定位金标记，其产生与细胞结构相反的、明确定义的明亮的散射图案，其不成角度地倾斜并且沿着光轴清楚地定位。这种表征是金生物纳米标记物存在的明确特征，并验证了数字全息显微镜将其与活细胞中的背景信号区分开来的能力。
2012-10-11 physics.bio-ph physics.optics
High-extinction VIPA-based Brillouin spectroscopy of turbid biological media
布里渊显微镜是近年来发展起来的一种表征生物组织、细胞和生物材料力学特性的有力技术。然而，布里渊显微镜的潜力目前仅限于透明样品，因为布里渊光谱仪没有足够的光谱消光，以拒绝主要的非布里渊散射光的混浊介质。为了克服这个问题，我们开发了一个光谱仪组成的两个VIPA阶段和多程法布里-珀罗干涉仪。法布里-珀罗标准具作为一种超窄带布里渊光滤波器，具有高光谱消光和低损耗。我们报告了来自Intraperoid溶液和鸡肌肉组织内高达100微米深的无背景布里渊光谱。
2016-04-17 physics.bio-ph physics.optics q-bio.QM
Plum pudding random medium model of biological tissue toward remote microscopy from spectroscopic light scattering
生物组织具有复杂的结构，并表现出丰富的光谱行为。到目前为止，有\emph{no}组织模型能够解释观察到的组织光散射光谱及其各向异性。在这里，我们提出，\emph{for the first time}，葡萄干布丁随机介质（PPRM）模型的生物组织，简洁地描述了组织作为一个叠加的独特的散射结构（李子）嵌入在一个分形连续介质的背景折射率波动（布丁）。PPRM忠实地再现了组织光散射的波长依赖性，并将各向异性中的“异常”趋势归因于李子，将减少的散射系数的幂律依赖性归因于分形散射布丁。最重要的是，PPRM开辟了一个新的场所，量化的组织结构和微观结构平均从宏观探测的散装与散射光单独没有组织切除。我们通过可视化非接触式光谱测量推导出的乳腺组织（脂肪、腺体、纤维囊性、纤维腺瘤和导管癌）的精细微观结构变化来证明这一潜力。
2017-09-04 physics.bio-ph physics.optics
Single-shot reconstruction of three-dimensional morphology of biological cells in digital holographic microscopy using a physics-driven neural network
Pohang University of Science and Technology（浦项科技大学）；Sogang University（西江大学）
本文提出物理驱动与坐标神经网络结合的MorpHoLoNet，从单次全息图直接重建生物细胞三维形态和折射率分布，并验证其在动态行为分析中的有效性。
2024-09-30 cs.CV cs.LG physics.optics
Refractive index measurements of single, spherical cells using digital holographic microscopy
在这一章中，我们介绍了数字全息显微镜（DHM）作为一种无标记的方法来确定悬浮液中的单个球形细胞的折射率。折射率是生物学背景下的决定性量度。已知细胞条件，例如分化或感染，会产生折射率的显著变化。此外，生物组织的折射率决定了它与光相互作用的方式。除了视网膜中这种相互作用的生物学相关性之外，生物学中使用的许多方法，包括显微镜，都依赖于光组织或光细胞的相互作用。因此，使用DHM确定细胞的折射率在许多生物应用中是有价值的。本章涵盖了实施DHM的重要主题：设置、样品制备和分析。首先，详细描述了光学设置，包括实施的注意事项和建议。接下来，解释用于样品和测量制备的方案。在分析部分中，描述了用于确定定量相位图的算法。随后，所有中间步骤的悬浮细胞的折射率的计算，利用其球形形状。在最后一节中，讨论了可能的扩展设置，进一步的测量配置和其他分析方法。在这一章中，我们描述了一个简单的，健壮的，因此很容易再现的DHM实现。扩展的不同可能性显示了这种技术的不同应用领域。
2018-04-05 physics.bio-ph physics.optics q-bio.QM
Compressive Fluorescence Microscopy for Biological and Hyperspectral Imaging
压缩感知（CS）的数学理论认为，可以从速率远低于总带宽的测量中获取信号。虽然CS理论现在已经发展得很好，但关于基于CS的采集设备的硬件实现的挑战-特别是在光学方面-才刚刚开始得到解决。本文提出了一种压缩传感在荧光显微镜及其应用的生物医学成像的实现。我们的CS显微镜结合了动态结构化宽视场照明和快速灵敏的单点荧光检测，能够重建荧光珠、细胞和组织的图像，欠采样率（像素数和测量数之间）高达32。我们进一步展示了一个高光谱模式，并记录图像与128个光谱通道和欠采样率高达64，说明了潜在的好处CS采集高维信号，通常表现出极端的冗余。总而言之，我们的研究结果强调CS计划的兴趣，在一个显着降低的速度收购，并指出一些剩余的挑战CS荧光显微镜。
2012-06-16 physics.optics stat.AP
Upconversion nonlinear structured illumination microscopy
通过生物组织的视频速率超分辨率成像可以可视化和跟踪细胞有机体内的生物分子相互作用和运输。结构照明显微镜允许宽视场超分辨率观察生物样品，但受到生物组织对光的强吸收和光的散射的限制，这降低了其成像分辨率。在这里，我们报告了一个光子上转换方案，使用镧系元素掺杂的纳米粒子通过生物透明窗口的宽视场超分辨率成像，具有近红外和低辐照度的非线性结构照明。我们证明976 nm激发和800 nm上转换发射可以减轻像差。我们发现，从单个纳米粒子的上转换发射的非线性响应，可以有效地产生所需的高空间频率成分的傅立叶域。这些策略导致了显微镜的新模式，分辨率为130 nm，1/7的激发波长，帧速率为1 fps。
2020-02-14 physics.app-ph physics.bio-ph physics.comp-ph
Photon Absorption Remote Sensing (PARS): A Comprehensive Approach to Label-free Absorption Microscopy Across Biological Scales
本文提出光子吸收遥感（PARS）综合显微技术，通过同时捕获光吸收事件中的散射、衰减及辐射与非辐射弛豫过程，提供总吸收和量子效率比等独特对比度，实现跨生物学尺度的无标记成像。
2024-04-25 physics.med-ph physics.optics
Coherent space-gated microscopy: a step towards deep-tissue phase imaging of biological cells
高分辨率光学显微镜在散射介质中具有低对比度，其中多次散射波掩盖了用于成像的弹道波。为了扩展成像深度，已经设计了各种选通操作-共焦、相干和偏振选通，以过滤掉多重散射波。然而，这些门控方法是不完美的，因为它们都作用于位于散射介质外部的检测平面。在这里，我们提出了一种新的门控方案，称为“空间”门控，它直接在散射介质内的物平面上拒绝多次散射波。具体来说，我们引入了一个30 $μ$米宽的声焦点的对象平面和重建的相干图像，只有与弹道波调制的声光相互作用。该方法可以滤除现有选通方法无法滤除的多次散射波，对于大于散射平均自由程20倍的散射介质，可以将弹道波与多次散射波的比值提高100倍以上。我们展示了前所未有的成像能力-完全嵌入在散射介质中的光学透明生物细胞的相位成像-具有1.5 $μ$ m的空间分辨率。
2018-11-07 physics.bio-ph physics.optics
Brillouin microscopy - a revolutionary tool for mechanobiology?
细胞和组织的力学性质在细胞功能、发育以及疾病中的作用和重要性已得到广泛承认，然而目前用于评估它们的标准技术表现出固有的局限性。最近，一种新型的光学弹性成像，即布里渊显微镜，已经成为一种非破坏性的，标签和接触的方法，可以探测生物样品的粘弹性与衍射极限分辨率在3D。这引起了生物学和医学研究界越来越多的关注，但也引起了关于测量的物理量的解释和相关性的辩论。在这里，我们回顾了这一新兴技术，通过描述基本的生物物理学原理，并讨论了从异质生物物质产生的布里渊光谱的解释。我们进一步阐述了该技术的局限性以及其在生物学中的新见解的潜力，以指导来自各个领域的感兴趣的研究人员。
2019-01-07 physics.bio-ph physics.optics
WaveOrder: A differentiable wave-optical framework for scalable biological microscopy with diverse modalities
Biohub；Center for Scalable Data Analytics and Artificial Intelligence（可扩展数据与人工智能中心）；University of North Carolina（北卡罗来纳大学）
WaveOrder是一种基于波光学的通用框架，通过可微物理模型实现多种生物成像模式下的可扩展定量显微镜技术，提升细胞结构的恢复能力。
2025-12-20 cs.CV physics.optics q-bio.QM
Full-field Brillouin microscopy based on an imaging Fourier transform spectrometer
本文提出基于成像傅里叶变换光谱仪的全场布里渊显微方法，利用布里渊光谱对称性实现每秒40,000条光谱的高速采集，较共聚焦方法提升约三个数量级，并保持高空间分辨率。
2024-09-03 physics.optics
Generalized reciprocal diffractive imaging for stand-alone, reference-free, fast-measurable quantitative phase microscopy
本文通过在光瞳平面引入空间滤波，将互反衍射成像（RDI）从漫射物体扩展到生物样品，实现独立、无参考、单次快速测量的定量相位显微术。
2025-03-17 physics.optics
Wide field fluorescence epi-microscopy behind a scattering medium enabled by speckle correlations
荧光显微镜被广泛用于生物成像，然而，从组织的散射强烈限制了其适用于浅深度。在这项工作中，我们适应的方法，灵感来自恒星散斑干涉，并利用光学记忆效应，使荧光显微镜通过混浊层。我们证明了有效的重建微米大小的荧光物体背后的散射介质落射显微镜，并研究这种成像方式（放大率，视场，分辨率）的特异性相比，传统的显微镜。使用修改后的相位恢复算法从散斑图像重建荧光物体，我们表现出强大的重建，即使在相对较低的信号噪声条件。这种模式特别适合于在生物介质中成像，已知生物介质表现出与数十微米尺寸的视场兼容的相对大的光学存储范围，以及与数十纳米宽度的发射荧光光谱兼容的大光谱带宽。
2018-02-25 physics.bio-ph physics.optics
Brillouin Gain Microscopy
本文提出布里渊增益显微术（BGM），通过高灵敏度检测力学对比频率处的布里渊增益，将时间分辨率提升200倍，实现材料、活体生物和细胞的高光谱时空分辨率力学成像。
2023-06-01 physics.bio-ph physics.optics
Inverse scattering for reflection intensity phase microscopy
反射相位成像提供生物样品的无标记、高分辨率表征，通常使用基于干涉的技术。在这里，我们调查反射相位显微镜强度只测量不同的照明下。我们评估的前向和反向散射模型的基础上的第一玻恩近似的玻璃载玻片上的散射物体成像。在这种设计下，测量场结合了来自物体的线性前向散射和高度相关的非线性后向散射，这使得物体相位恢复复杂化。仅使用前向散射，我们推导出一个线性逆散射模型，并评估该模型的有效性范围内的模拟和实验使用标准的反射显微镜修改与可编程光源。我们的方法提供了增强的对比度薄，弱散射的样品，补充传输技术。该模型提供了一个很有前途的发展，建立简化的基于强度的反射定量相位成像系统，易于采用的生物研究。
2019-12-16 eess.IV physics.comp-ph physics.optics
High Sensitivity and Specificity Biomechanical Imaging by Stimulated Brillouin Scattering Microscopy
非接触式无标记生物力学成像是揭示生物系统力学特性的重要工具，在工程、物理、生物和医学领域发挥着关键作用;然而，它代表了显微镜的一个重大挑战。自发布里渊显微镜满足了这一挑战，但通常需要长的采集时间或缺乏高特异性，用于检测具有高度重叠布里渊频带的生物力学成分。我们开发了受激布里渊散射（SBS）显微镜，提供内在的非接触式生物力学对比，并在大型标本内生成机械横截面图像，具有高机械特异性和像素停留时间，比自发布里渊显微镜提高了10倍以上。我们在不同的生物学应用中使用SBS显微镜，包括活的野生型秀丽隐杆线虫咽部区域的高频复合纵向模量的量化，活蠕虫头部对渗透应力的高频粘弹性响应的变化的成像，以及发育中线虫的体内机械对比介观
2019-10-07 physics.bio-ph physics.optics
Phase gradient microscopy in thick tissue with oblique back-illumination
相位对比技术，如微分干涉对比（DIC）显微镜，被广泛用于提供未染色的生物样品的形态学图像。这些技术所需的透射照明几何形状限制了它们对薄样品的应用。我们介绍斜背照明显微镜（OBM），收集厚散射样品的正面相位梯度图像的方法，使近视频速率在体内相位成像与适合内窥镜检查的小型化探头。
2012-06-14 physics.optics
Computational structured illumination for high-content fluorescent and phase microscopy
高内涵生物显微镜的目标是在大视场（FOV）内进行高分辨率成像。最近的工作表明，计算成像可以为高内容显微镜提供有效的解决方案。在这里，我们使用散斑结构照明显微镜（SIM）作为一个强大的和具有成本效益的解决方案，用于高含量的荧光显微镜，同时高含量的定量相位（QP）。这种多模式兼容性对于需要交叉相关生物学分析的研究至关重要。我们的方法使用横向平移的透明胶带来生成跨大FOV的高分辨率散斑照明图案。然后，定制优化算法联合重建样品的超分辨率荧光（非相干）和QP（相干）分布，同时对系统缺陷进行数字校正，例如未知的散斑照明图案、系统像差和图案平移。除了以前的线性SIM作品，我们实现了4倍的物镜的衍射限制的原生分辨率的分辨率增益，导致700 nm的荧光和1.2 um的QP分辨率，在2x2.7 mm^2的FOV，给出了60兆像素的空间带宽产品（SBP）。
2019-03-27 eess.IV physics.optics
Fast biological imaging with quantum-enhanced Raman microscopy
本研究提出一种使用明亮压缩单束的量子增强受激拉曼散射显微镜，实现活细胞多光谱成像，速度达100×100像素/18秒，信噪比提升20%，解决了光损伤限制。
2024-03-15 physics.bio-ph physics.optics quant-ph
Point-spread function engineering enhances digital Fourier microscopy
虽然存在许多光学方法来探测生物或复杂流体样品的动力学，但近年来，数字傅立叶显微镜技术，如微分动态显微镜，已成为有效结合成像和散射方法的方法。在这里，我们演示，通过实验和模拟，如何点扩散函数工程可以用来扩展微分动态显微镜的范围。
2017-10-11 cond-mat.soft physics.optics
Adaptive optics for multifocal plane microscopy
多焦平面显微镜（MUM）允许三维物体在单个相机帧中成像。我们的方法使用双正交衍射相位光栅与二次失真的线应用散焦的第一衍射级，当与中继透镜配对时，允许9个焦平面被成像在一个单一的相机芯片。这种方法需要强信号电平以确保衍射光中的足够强度，但具有紧凑且易于实现的优点。当显微镜开始聚焦到样品更深处时，样品介质中折射率失配和不均匀性引起的像差对信号质量产生不利影响。本文研究了将自适应光学（AO）应用于多焦平面显微镜的成像质量改善。单个校正装置（8x8可变形反射镜（DM））与基于图像的AO控制策略组合以执行光学像差的校正。我们比较完整的端到端的建模结果，使用一个既定的数值建模系统，适用于显微镜实验室结果的测试样品和一些生物样品。最后，我们将证明，结合AO和MUM，我们能够提高生物样本的图像质量，并提供良好的校正整个生物样本的体积。
2020-03-12 physics.bio-ph physics.optics
Generalized spectral phase-only time-domain ptychographic phase reconstruction applied in nonlinear microscopy
非线性显微镜在过去的几十年里已经发展成为生物科学中成像和光谱应用的强大工具。在这项研究中，I $^2$ PIE，一种新的光谱相位控制技术，实现了压缩宽带超连续光脉冲中产生的全正常色散（ANDi）光子晶体光纤（PCF）。该技术，基于时域重叠关联，在这里展示了第一次在非线性显微镜应用，尽我们所知。第一个现实世界的应用，这种技术的二次谐波产生和双光子激发荧光显微镜在生物样品。我们进一步表明，在我们的实现中，I $^2$ PIE导致改进的对比度和信噪比在所生成的图像中，相比传统的压缩技术中使用的非线性显微镜。
2020-09-16 physics.optics
Confocal supercritical angle fluorescence microscopy for cell membrane imaging
我们展示了亚波长切片生物样品与传统的共聚焦显微镜。这种光学切片通过超临界角荧光现象实现，其中只有靠近折射率不连续界面的荧光团可以将辐射的传播分量发射到所谓的禁止角中。这种技术的简单性允许它集成到一个高数值孔径共焦扫描显微镜上的检测通道，只有一个简单的修改。共焦SAF显微镜将是实现高分辨率表面成像，特别是生物样品膜成像的有力工具
2013-12-21 physics.optics
Deep Imaging in Scattering Media with Single Photon Selective Plane Illumination Microscopy (SPIM)
在大多数生物组织中，由于折射率的微小差异引起的光散射限制了光学成像系统的深度。双光子显微镜（2PM），它显着减少了激发光的散射，已成为最常见的方法来成像散射生物组织内的深处。然而，该技术需要高功率脉冲激光器，其既昂贵又难以集成到紧凑的便携式系统中。在本文中，使用理论和实验技术相结合，我们表明，选择性平面照明显微镜（SPIM）可以成像近2PM深，而不需要高功率脉冲激光。与其他单光子成像技术（如落射荧光和共聚焦显微镜）相比，SPIM可以在散射介质中成像超过两倍的深度（约为平均散射长度的10倍）。这些结果表明，SPIM有潜力提供散射介质中的深度成像的情况下，2PM系统将过于庞大或昂贵。
2016-04-23 physics.ins-det physics.optics
Three-dimensional bi-functional refractive index and fluorescence microscopy (BRIEF)
荧光显微镜是一种强有力的工具，成像生物样品的分子特异性。相比之下，相位显微镜提供样品折射率（RI）的无标记测量，这是一种内在的光学性质，定量地涉及到细胞形态，质量和刚度。常规成像技术测量标记的荧光（功能）信息或无标记的RI（结构）信息，尽管两者都有可能是有价值的。例如，生物组织具有不均匀的RI分布，导致样品诱导的散射，这降低了荧光图像质量。当测量荧光和3D RI两者时，可以使用RI信息来数字地校正荧光图像中的多重散射效应。在这里，我们开发了一种新的计算多模态成像方法的基础上epi-mode显微镜重建3D荧光和3D RI从一个单一的数据集。我们获得几十个荧光图像，每个“照明”由一个单一的荧光团，然后解决一个逆问题的多散射前向模型。我们实验证明我们的方法epi-mode三维RI成像和数字校正的荧光图像中的多重散射效应。
2022-01-25 physics.bio-ph physics.optics
Quantitative phase retrieval for Zernike phase-contrast microscopy
提出一种无需硬件修改的单图像数值相位恢复方法，通过严格物理模型和梯度下降算法解决Zernike相衬显微镜的伪影与弱相位问题，实现定量成像并经生物细胞实验验证。
2023-05-09 physics.optics
Consensus Statement on Brillouin Light Scattering Microscopy of Biological Materials
本共识声明针对生物材料的布里渊光散射显微镜研究，提出了测量参数的报告建议并详述常见伪影，旨在提高不同实验条件下BLS研究的可比性，推动该领域的统一进展。
2024-11-18 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Bond-selective interferometric scattering microscopy
干涉散射显微镜是一种非常有前途的技术，用于以高通量方式对从蛋白质到病毒的广谱生物纳米颗粒进行高灵敏度无标记成像。虽然它可以揭示样品的尺寸和形状信息，但化学成分在干涉测量中是无法获得的。红外光谱成像基于样品的固有化学键振动提供化学特异性，但由于长红外波长而缺乏成像和分辨单个纳米颗粒的能力。在这里，我们描述了一种键选择性干涉散射显微镜，其中中红外诱导的光热信号由宽视场共路干涉配置中的可见光束检测。利用薄膜分层衬底来减少反射光并为弱散射场的干涉检测提供参考场。采用脉冲中红外激光器调制干涉信号。随后通过虚拟锁定相机进行解调，同时提供数十个微米或纳米颗粒的化学信息。化学对比度产生于粒子散射场的微小变化，这是目标分子振动吸收的结果。我们的特点与亚波长聚合物珠和突出的生物学应用的化学成像几种微生物，包括金黄色葡萄球菌，大肠杆菌，白色念珠菌的系统。建立了一个理论框架，扩展键选择性干涉散射显微镜的生物微米和纳米粒子的广泛范围。
2021-06-05 physics.app-ph physics.bio-ph physics.optics
Microscopy of Bioelectric Potentials using Electrochromism
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Stanford University（斯坦福大学）；Wu Tsai Neurosciences Institute, Stanford University（斯坦福大学吴瑞神经科学研究所）；The Grainger College of Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格莱恩工程学院）
本研究提出了一种基于高NA显微镜物镜的电色光学记录方法，实现了对心肌细胞动作电位的高灵敏度单细胞记录，推动了生物电信号研究的进展。
2026-09-10 physics.bio-ph physics.optics
Super-resolution enhancement by quantum image scanning microscopy
量子光学的原理已经产生了大量的想法，以超越光学显微镜的灵敏度和分辨率的经典限制。虽然一些想法已经应用于原理验证实验，但对生物样品进行成像仍然具有挑战性，主要是由于测量的信号固有地弱以及光的量子态的脆弱性。然而，原则上，这些量子协议可以在不牺牲经典信息的情况下添加新信息，因此可以增强现有超分辨率技术的能力。图像扫描显微镜（ISM），最近加入家庭的超分辨率方法，产生一个强大的分辨率增强，而不牺牲信号电平。在这里，我们介绍量子图像扫描显微镜（Q-ISM）：将ISM与量子光子相关性的测量相结合，可以将ISM的分辨率提高到两倍，超过衍射极限的四倍。我们介绍了Q-ISM原理，并获得超分辨的光学图像的生物样品染色的荧光量子点使用光子反聚束，量子效应，作为一种分辨率增强对比度的机制。
2018-10-21 physics.bio-ph physics.optics quant-ph
Incoherent lateral shearing digital holographic microscopy
提出一种基于横向剪切数字全息显微镜的非相干定量相位成像技术，通过超过相干面积的剪切距离实现无伪影、高精度重建，并验证了其在生物样品动态无标记分析中的潜力。
2025-01-20 physics.optics
Off-the-grid covariance-based super-resolution fluctuation microscopy
超分辨率荧光显微镜克服了光衍射引起的模糊，允许重建生物结构中的精细尺度细节。标准方法以长的采集时间和/或对生物样品的有害影响为代价，这使得体细胞成像的问题非常具有挑战性。一个有前途的新途径是利用分子波动，允许活细胞成像具有良好的时空分辨率，通过普通显微镜和传统的荧光染料。在文献中已经开发了几种数值算法，并用于波动时间序列。这些技术是在离散设置中开发的，即超分辨率图像定义在比观察到的图像更精细的网格上。相反，无网格优化不依赖于精细网格，而是狄拉克措施的数量，振幅和位置的优化。在这项工作中，我们提出了一个离网问题占波动的独立性。
2021-10-08 math.FA math.OC physics.optics
Increasing the spatial bandwidth product in Light Field Microscopy with remote scanning
针对生物显微中快速大体积高分辨成像的难题，提出加装电动倾斜镜的增强型光场显微镜，可按需提升视场或分辨率，适配明场/荧光模式，经多细胞聚集体成像验证了性能。
2024-10-10 physics.optics
Quantum correlations overcome the photodamage limits of light microscopy
最先进的显微镜使用强烈的激光，可以严重干扰生物过程，功能和生存能力。这引入了只有量子光子相关性才能克服的性能限制。在这里，我们证明了这一绝对的量子优势，实现超出传统显微镜的无光损伤能力的信噪比。我们在相干拉曼显微镜中实现了这一点，我们用它来成像细胞内的分子键，具有量子增强的对比度和亚波长分辨率。这允许观察否则无法分辨的纳米级生物结构。相干拉曼显微镜允许高度选择性的生物分子指纹在未标记的标本，但光损伤是许多应用的主要障碍。通过证明这个障碍是可以克服的，我们的工作提供了一条通往灵敏度和成像速度的数量级改进的道路。
2020-09-12 physics.bio-ph physics.med-ph physics.optics
Single-pixel ghost microscopy based on compressed sensing and complementary modulation
利用数字微镜器件（DMD）进行了单像素单臂互补压缩显微鬼像成像实验。为了解决将散斑或调制光图案投射到微小生物物体上的困难，我们将显微图像聚焦到DMD上。利用该系统，我们成功地获得了显微镜自带的白炽灯照明的微米级物体的放大图像。我们的计划的图像质量是超过一个数量级优于传统的压缩感知获得相同的总采样率，而且，该系统是强大的强度不稳定性的光源，可以在非常弱的光条件下使用。由于仅使用DMD的一个反射方向，因此另一个反射臂保持打开以用于将来的红外线采样。这代表着压缩显微鬼成像在生物和材料科学领域的实际应用向前迈出了一大步。
2015-01-24 physics.optics
High SNR 3D Imaging from Millimeter-scale Thick Tissues to Cellular Dynamics via Structured Illumination Microscopy
Xi’an Jiaotong University（西安交通大学）；Chinese Institute for Brain Research（北京脑科学与类脑研究所）；Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海有机化学研究所）；Huaxia Imaging Technology Co., Ltd.（华厦成像科技有限公司）；State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi'an Jiaotong University（西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实验室）
本文提出基于希尔伯特变换的HT-SHiLo算法，提升OS-SIM的信噪比和成像深度，实现高质量三维生物样本成像。
2024-12-07 physics.optics
Implementation of reflection matrix microscopy: An algorithm perspective
本文从算法视角提出逻辑索引、幂迭代和低频阻断等反射矩阵处理新方法，将RMM的孔径合成、三维重建与像差校正速度提升数个数量级，并提供实现与实验数据以推动深部组织成像应用。
2024-07-02 eess.IV physics.optics
Multi-modal microscopy imaging with the OpenFlexure Delta Stage
显微镜是许多生物研究和医学诊断中的重要设备。然而，获得显微镜可能是研究的瓶颈，特别是在低收入国家。“智能”计算机控制的机动显微镜可以执行自动化程序或以一系列方式获取图像，但这种显微镜甚至更昂贵，也更难获得。开发低成本、开源的智能显微镜使更多的研究人员能够构思和执行优化或更复杂的实验。在这里，我们介绍了OpenFlexure Delta Stage，这是一款专为研究人员设计的3D打印显微镜。由OpenFlexure软件栈提供支持，它能够执行自动化实验。设计文件和装配说明在开放许可下免费提供。其直观和模块化的设计-以及详细的文档-使研究人员能够轻松实现各种成像模式。该显微镜的多功能性通过在明场、落射荧光、暗场、Rheinberg和微分相差中对生物和非生物样品（红细胞与疟原虫寄生虫和胶体颗粒）成像来证明。我们提出了设计策略和工具的选择，以开发低收入国家的研究人员可以使用的设备，以及在这种情况下开源项目的优势。这款显微镜自问世以来一直是开源的，已经被世界各地的研究人员建造和测试，促进了专业知识的社区和科学的可重复性环境。
2022-06-30 physics.ins-det physics.optics
High-Fidelity Single-Shot Quantitative Differential Phase Microscopy Using Pseudothermal Sagnac Interferometer
UiT The Arctic University of Norway（挪威阿尔塔大学）；Warsaw University of Technology, Institute of Micromechanics and Photonics（华沙理工大学微机械与光子学研究所）；Karolinska Institute（卡罗林斯卡学院）；The Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Department of Physics, University of Oslo（奥斯陆大学数学与自然科学学院物理系）
本文提出一种基于Sagnac干涉仪的高保真单次成像定量差分相位显微术，用于高灵敏度成像近透明生物样本。
2026-04-22 physics.optics
Particle Tracking and Extended Object Imaging by Interferometric Super Resolution Microscopy
研制了一种干涉荧光显微镜和一种新的理论图像重建方法，用于获得活体生物样品的超分辨率图像，并实现动态实时跟踪。跟踪利用存储在照明非相干光和发射光两者的干涉图案中的信息。通过周期性地移动的干涉仪相位和相位恢复算法，我们获得的信息，允许定位与子-2 nm的轴向分辨率在5 Hz。
2018-02-14 physics.bio-ph physics.optics
Slanted light-sheet array microscopy for large volume imaging at rates exceeding 100 Hz
针对传统光学显微镜成像速度受扫描机制、信噪比限制且难以兼顾大视场体成像等指标的问题，研究团队开发了易集成的斜置光片阵列显微镜SLAM，结合条件去噪扩散概率模型实现各向同性分辨率，可在大区域以超100体积/秒的速率高速成像，为生物医学研究提供通用成像平台。
2025-06-16 physics.optics
Anisoplanatic adaptive optics in parallelized laser scanningmicroscopy
生物样品折射率的不均匀性会在显微镜系统中引入相位畸变，严重影响图像质量。可以采用自适应光学来校正相位像差并提高图像质量。然而，传统的自适应光学只能校正整个视场的单个相位像差（等晕校正），而由于生物组织的三维性质，显微镜中的样本引起的像差通常在整个视场中变化（非等晕像差），从而显著限制了自适应光学的有效性。本文提出了一种新的激光扫描共焦显微镜像差校正方法，即利用空间光调制器在样品中产生多个激发点，使其同时扫描视场的不同部分，并进行完全独立的校正，从而实现对样品引起的像差的各向异性补偿。该方法在150 μm厚的果蝇全脑中进行了测试，与传统的等晕自适应光学相比，该方法在分辨率和清晰度上有了显着的提高。
2018-09-20 physics.optics
Tensorial tomographic differential phase-contrast microscopy
Duke University（杜克大学）；University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；Duke University Medical Center（杜克大学医学中心）
我们报告张量层析微分相衬显微镜（T2DPC），一个定量的无标记层析成像方法，同时测量相位和各向异性。T2DPC扩展了微分相衬显微镜，一种定量相位成像技术，以突出光的矢量性质。该方法解决了各向异性样品的介电常数张量的强度测量与配备有LED矩阵，圆偏振器，和偏振敏感相机的标准显微镜。我们证明了准确的体积重建的折射率，双折射，和各种验证样品的方向，并表明重建的生物标本的偏振结构是预测的病理。
2022-09-06 cs.CV physics.optics
scMIR: a vision-language foundation model for single-cell light microscopy image representation
研究针对单细胞光学显微镜图像分析难题，提出scMIR模型，通过自监督图像重建与文本引导跨模态对齐，在多图像文本对上预训练，在多种复杂任务中表现出色，优于现有方法，具备强泛化能力，能推动高通量表型分析工作流程标准化和自动化。
2026-07-29 cs.AI cs.CV physics.optics
Far-field Super-resolution Chemical Microscopy
本文综述远场化学显微术结合超分辨技术突破光学衍射极限的最新进展，并总结其在生物医学、材料、环境、文物保护及芯片检测中的应用。
2023-05-18 physics.chem-ph physics.optics
Synthetic aperture holographic third harmonic generation microscopy
本文首次实现三次谐波产生全息显微镜，通过空间合成孔径成像重建复信号场，并开发像差校正算法消除相位畸变引起的像差，实现无标记生物成像。
2024-02-06 physics.app-ph physics.optics
Low-coherence off-axis digital holographic microscopy
通常，离轴数字全息显微术需要相干光源来记录全场全息图。然而，基于激光的照明导致不可忽略的相干噪声，从而降低成像质量。我们在此报告了一种简单的方法，以减少使用低时间相干照明的相干噪声的贡献，同时保持大的干扰区域。因此，在干涉仪的参考臂中引入衍射光栅，允许参考光束的相干平面随着角色散而倾斜。参考光束和物体光束的相平面看起来是共面的。介绍了低相干离轴数字全息显微术的原理和性能。执行生物样品的三维重建。
2021-11-01 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Calculating coherent light-wave propagation in large heterogeneous media
理解光与高散射材料的相互作用对于光学厚和异质生物组织的光学显微镜是必不可少的。整体平均解析解只能为相对简单的情况提供一般的预测。然而，生物组织含有手性有机分子，并且许多细胞的结构是双折射的，这是偏振显微镜用于无标记成像的特性。在这样的材料中求解麦克斯韦方程是一个众所周知的难题。在这里，我们提出了一个有效的方法来确定电磁波在任意各向异性材料中的传播。我们演示了该算法如何实现复杂的双折射材料，手性介质，甚至具有负折射率的材料的散射光场的大规模计算。
2018-12-26 physics.comp-ph physics.optics
Novel photoluminescence-enhancing substrates for image formation of biological objects
已经显示了使用基于合成蛋白石制造的光子晶体作为生物对象的发光显微镜的衬底。研究了365nm紫外光激发下DNA团簇在蛋白石表面和粗糙金基底上的光致发光的空间分布。以血细胞为例，已经证明了在合成蛋白石的纳米结构元件被用作标记和图像放大器的情况下生物对象可视化的可能性。
2012-09-13 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph physics.optics
Performance Validation of Coded Wavefront Sensing for Quantitative Phase Imaging of Static and Dynamic Specimens Using Digital Holographic Microscopy
本文验证编码波前传感（Coded-WFS）用于静态硅珠和动态HEK细胞定量相位成像的性能，通过数字全息显微镜（DHM）验证其相位恢复准确性，并报告明场强度与光程延迟的比较结果。
2025-08-23 eess.SP physics.optics
High resolution photonic force microscopy based on sharp nano-fabricated tips
亚纳米分辨率的图像可以通过原子力显微镜（AFM）在沉积在硬衬底上的样品上实现。然而，由于尖端引起的变形，对软界面（例如生物膜）进行成像仍然极具挑战性。光子力显微镜（PhFM），基于光镊（OT），是一个有趣的替代软扫描探针显微镜。使用光代替物理悬臂来保持扫描探针导致刚度（$k_{OT}\sim0.1-0.001$ pN/nm），其可以比标准悬臂的刚度（$k_{AFM}\sim 10$ pN/nm）低2-3个数量级。结合纳米分辨率的位移测量的捕获探针，这允许成像软材料没有力引起的伪影。然而，光学捕获探针的尺寸，通常选择为$\sim μ$ m-尺寸球，到目前为止限制了PhFM的分辨率。在这里，我们展示了一种新的和简单的nanofabelet协议，大规模生产光学可捕获的石英颗粒，模仿AFM的尖端。我们证明和量化的稳定捕获的颗粒与尖尖锐的35 nm，最小的PhFM中使用的日期。光栅扫描图像的刚性纳米结构的功能小于80 nm，与我们的提示获得的AFM图像比较以及相同的样品。对感染疟疾的活红细胞膜进行成像不会产生可见的伪影，而是揭示了与细胞内寄生虫活动有关的称为旋钮的亚微米结构特征。在PhFM中使用纳米工程颗粒开辟了以高分辨率成像软和生物样品的道路。
2020-02-04 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
