Multi-photon super-linear image scanning microscopy using upconversion nanoparticles
本文提出超线性图像扫描显微术（SL-ISM），利用上转换纳米颗粒的发射非线性，以单个低功率连续波近红外激光突破传统ISM两倍分辨率限制，实现约120 nm分辨率，并提出多焦点并行检测策略提升成像速度。
2024-03-20 physics.app-ph physics.optics
Super-resolution fluorescence microscopy by stepwise optical saturation
超分辨荧光显微镜是生物医学研究中的重要工具，因为它能够识别小于衍射极限的特征。然而，由于其难以实现和高成本，普遍应用的超分辨率显微镜是不可行的。在本文中，我们提出并展示了一种新的超分辨率荧光显微镜，可以很容易地实现，既不需要额外的硬件，也不需要复杂的后处理。显微镜是基于逐步光学饱和（SOS）的原则，其中原始荧光图像的$M$步骤被线性组合，以产生与传统的衍射限制图像相比，分辨率增加了$\sqrt{M}$倍的图像。例如，线性组合（缩放和相减）以常规功率获得的两个图像将分辨率扩展超过衍射极限的$1.4$的因子。SOS显微镜的分辨率提高在理论上是无限的，但实际上受到信噪比的限制。我们进行模拟和实验证明超分辨率显微镜与单光子（共焦）和多光子激发荧光。我们表明，与多光子模态，SOS显微镜可以提供超分辨率成像深散射样品。
2018-01-10 physics.bio-ph physics.optics
Combined selective plane illumination microscopy (SPIM) and full-field optical coherence tomography (FF-OCT) for in vivo imaging
本文提出一种集成SPIM与FF-OCT的高分辨率多模态成像系统，无需修改现有装置，通过共享检测路径实现荧光与结构数据共配准，并在斑马鱼幼鱼上验证了活体成像能力。
2024-12-18 physics.bio-ph physics.optics
Dual-angle interferometric scattering microscopy for optical multiparametric particle characterization
该研究提出双角度干涉散射显微术（DAISY），通过结合前向和后向散射信息，无需介质先验知识即可同时定量单个纳米颗粒的尺寸与极化率，并推导其形态，成功在胎牛血清中区分了分形聚集体与球形颗粒。
2023-09-14 physics.bio-ph physics.optics
Structured illumination microscopy based on fiber devices
利用三个$2\times2$光纤耦合器和一个$1\times4$ MEMS光开关，提出了一种结构简单、结构紧凑的结构照明显微镜。通过在照明光路的共轭傅里叶平面上放置7个输出光纤尖端，产生1个均匀的3条条纹照明光路，并通过光学开关实现了稳定且相对高速的照明光路切换。采用基于Richardson-Lucy反卷积法和Hilbert变换法的联合算法，从4帧数据中重建出超分辨率和光学切片信息。通过直接从原始图像中去除离焦分量，提供了更好的成像结果。
2019-12-17 physics.bio-ph physics.optics
Direct optical sensing of single unlabeled small proteins and super-resolution microscopy of their binding sites
二十多年前，科学家成功地将光学检测的极限推到了使用荧光的单个分子。这一突破彻底改变了生物物理测量，但生物物理学和标记协议的限制激发了许多努力，以实现生物研究中的无荧光单分子灵敏度。虽然已经提出了几个有趣的机制，使用振动光谱，光热检测，等离子体或微腔在单蛋白水平的生物传感，没有方法已经成功地直接标记的单个蛋白质的检测。在这里，我们提出的第一个结果，使用干涉检测散射（iSCAT）从单个蛋白质，而不需要任何标签，光学纳米结构或微腔。此外，我们展示了纳米定位精度的蛋白质结合的超分辨率成像。iSCAT仪器的易用性有望为工业应用和基础实验室实验带来突破。
2013-10-29 physics.bio-ph physics.optics
Accessible quantitative phase imaging in confocal microscopy with sinusoidal-phase synthetic optical holography
我们提出了一个技术上简单的实现定量相位成像的共焦显微镜的基础上合成光学全息与正弦相位参考波。使用Mirau干涉物镜和低振幅垂直样品振动与压电控制的阶段，我们记录合成全息图的商业共焦显微镜（尼康，型号：A1 R;蔡司：型号：LSM-880），从定量相位图像重建。我们通过宫颈癌（HeLa）和卵巢癌（ES-2）细胞和干细胞（mHAT 9a）样本的免染色成像来展示我们的技术。我们的技术有可能通过提供无标记的细胞发现，监测细胞形态，以及基于定量相差的活细胞的非扰动长时间观察来扩展共聚焦显微镜中的荧光成像应用。
2019-04-01 physics.bio-ph physics.optics
Combined Multi-Plane Tomographic Phase Retrieval and Stochastic Optical Fluctuation Imaging for 4D Cell Microscopy
超分辨率荧光显微镜提供了前所未有的深入了解细胞和亚细胞结构。然而，“超越衍射障碍”是有代价的，因为大多数远场超分辨率成像技术都是以时间为空间的超分辨率。我们提出了一种新的无标记白光定量相位层析与荧光成像相结合，以提供高速成像和空间超分辨率。非迭代相位重建依赖于在每个z位置处获取单个图像，因此能够使用经典显微镜进行简单的3D相位成像。我们实现了多平面成像，使用定制的棱镜同时采集8个平面。这使我们不仅能够以高达200 Hz的频率对活细胞进行3D成像，而且还可以在同一光学仪器中集成荧光超分辨率光学波动成像。该4D显微镜平台将相位断层扫描的灵敏度和高时间分辨率与荧光成像的特异性和高空间分辨率相结合。
2018-09-06 physics.bio-ph physics.optics
Fluorescence Microscopy: a statistics-optics perspective
本文从统计与光学交叉视角，综述了荧光显微成像中光与荧光团特性对图像特征的影响，并介绍了相应的概率建模工具，旨在促进定量显微图像解释。
2023-10-17 physics.bio-ph physics.data-an physics.optics
Multifocus microscopy with optically sectioned axial superresolution
多焦点显微镜能够在单次相机曝光中记录整个体积。在致密的样品中，多焦点显微镜会受到背景雾度的严重阻碍。在这里，我们介绍了一种可扩展的多焦点方法，采用光学切片，并提供轴向超分辨率的能力。在我们的方法中，抖动的倾斜光片在单次曝光期间扫描样品体积，而产生的荧光被线性化到具有多焦点光学元件的相机上。一个同步滚动快门读出实现光学切片。我们从理论上描述了该技术并验证了其光学切片和超分辨率能力。我们展示了一个原型系统与多焦点分束器级联和记录单层内皮细胞在35卷每秒。我们还对未清除的工程化人类心脏组织进行成像，并在轴向超分辨率下可视化线粒体的分布。我们的方法设法捕获亚衍射大小的源自于大肠杆菌的囊泡，深入组织达30 μ m。
2022-06-02 eess.IV physics.bio-ph physics.optics
When Optical Microscopy Meets All-Optical Analog Computing: A Brief Review
作为生命科学、生物医学和材料科学领域的革命性观察工具，光学显微镜可以对样品进行高空间分辨率和宽视场的成像。然而，传统的显微镜方法仅限于单次成像，无法实现实时图像处理。随着光学模拟计算技术的迅速发展，边缘检测、图像增强和相位可视化技术引起了人们极大的兴趣。使光学模拟计算成为可能的两种主要物理机制源自两个几何相：自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry（RVB）相和Pancharatnam-Berry（PB）相。本文综述了基于RVB相位和PB相位的光学微分器的基本原理和最新研究进展。然后，我们专注于光学模拟计算在显微成像中的创新和新兴应用。光学模拟计算正在加速信息处理从经典成像到量子技术的转变。它与光学显微镜的交叉为多功能和紧凑的光学显微镜系统的发展提供了机会。
2023-03-09 physics.optics
Miniscope3D: optimized single-shot miniature 3D fluorescence microscopy
微型荧光显微镜是系统生物学中的标准工具。然而，宽视场微型显微镜仅捕获2D信息，并且使3D功能能够实现的修改增加了尺寸和重量，并且在窄深度范围之外具有较差的分辨率。在这里，我们实现了3D的能力，通过取代传统的2D微型镜的管透镜与优化的多焦点相位掩模在物镜的孔径光阑。将相位掩模放置在孔径光阑处显著减小了设备的尺寸，并且改变焦距能够在宽的深度范围内实现均匀的分辨率。相位掩模将3D荧光强度编码为单个2D测量，并且通过求解稀疏约束逆问题来恢复3D体积。我们提供了设计和制造的相位掩模和一个有效的前向模型，占场变化的像差在微型物镜的方法。我们展示了一个原型，是17毫米高，重2.5克，实现2.76 $μ$米横向，和15 $μ$米轴向分辨率在大多数的900 × 700 × 390 $μm^3$体积在40卷每秒。在分辨率目标、动态生物样品和小鼠脑组织上进行了实验验证。与现有的微型单次体积捕获实现相比，我们的系统更小，更轻，并在10倍的可用深度范围内实现了超过2倍的横向和轴向分辨率。我们的显微镜设计为紧凑型平台重要的应用提供单次拍摄3D成像，例如自由移动动物的体积神经成像以及培养箱和芯片实验室设备中动态样品的3D运动研究。
2020-10-12 cs.CV eess.IV physics.optics
X-ray diffraction microscopy based on refractive optics
我们描述了一种基于折射光学的衍射显微镜技术来研究晶体中的结构变化。在二维X射线照相机上用铍抛物面折射透镜对晶体衍射后的X射线光束进行放大。将显微镜设置集成到ESRF光束线ID 06处的6圆Huber衍射仪中。我们的设置使我们能够以约1微米的分辨率可视化结构缺陷。然而，该配置可以容易地适于亚微米分辨率。
2014-11-24 physics.optics
Optical microscopy via spectral modifications of a nano-antenna
现有的光学显微镜通过收集从物体发射的光子来形成图像。在这里，我们报告的实验实现显微镜，而不需要直接与样品的光通信。为了实现这一点，我们扫描了一个单一的金纳米粒子作为纳米天线在近场的样品，并研究了其固有的辐射特性的修改，通过监测其等离子体光谱。
2005-09-26 physics.optics
Optical Label-Free Microscopy Characterization of Dielectric Nanoparticles
本教程回顾单颗粒散射光学理论与常用显微镜技术所得介电纳米颗粒定量信息的关联，分析光学信号与颗粒特性的关系及扩散率粒径测定结合方法，为不同样品及分析需求下的测量策略选择提供指导。
2024-09-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.optics
Coherent microscopy by laser optical feedback imaging (LOFI) technique
介绍了激光光学反馈成像（LOFI）技术在相干显微术中的应用。这种使用频移光学反馈的简单而有效的技术需要扫描样品以获得图像。讨论了检流镜扫描引起的渐晕、场曲等对幅相信号的影响。提出了一种简单的基于相位图像的监测方法，以找到扫描器的最佳位置。最后，一些实验结果说明这种技术。
2012-06-19 physics.optics
Axial range of conjugate adaptive optics in two-photon microscopy
本研究提出一种将可变形反射镜置于像差共轭平面的双光子显微镜自适应光学技术，经原理验证实验证实其相比标准瞳孔共轭自适应光学具有更大视场，且轴向平移下仍可保持扩展视场，同时探讨了该技术的局限与前景。
2015-07-27 physics.optics
Unified image formation theory for microscopy and optical coherence tomography in 4-D space-time
本研究借助量子物理原理与四维表示法，构建了统一的光学成像理论框架，打通了经典显微镜到前沿仪器及光学相干断层扫描的成像理论关联，为理解不同成像类型的联系提供了通用方法。
2025-01-21 physics.optics
Optical Photon Reassignment Microscopy (OPRA)
为了提高共焦激光扫描显微镜的分辨率，可以使用在每个激发扫描位置处拍摄的针孔平面图像的附加信息[C。J. R. Sheppard，共焦成像中的超分辨率，Optik 80，5354（1988）]。该光子重新分配原理基于以下事实：发射器的最可能位置在激发激光器的标称焦点与对应于（偏离中心）检测位置的位置之间的中途处。因此，通过将检测到的光子重新分配到该位置，获得了具有增强的检测效率和分辨率的图像。在这里，我们提出了光学光子再分配显微镜（OPRA），它实现了这一概念，在一个全光学的方式，消除了对图像处理的需要。借助于在探测光的去扫描和进一步重新扫描之间的附加中间光束扩展，可以获取具有光子重新分配的优点的图像。由于其简单性和灵活性，这种方法有可能提高几乎每一个激光扫描显微镜的性能，因此预计将在未来的系统中发挥重要作用。
2013-06-26 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Optical scatter imaging using digital Fourier microscopy
最近由Alexandrov等人报道的关于光学散射成像的方法，称为数字傅立叶显微术（DFM），代表了数字傅立叶全息术对生物物质的选择性成像的适应。记录样品光散射的全息模式使得能够重建样品图像。样品成分的形状因子提供了在后处理阶段通过灵活的数字傅立叶滤波来实现这些成分的辨别的基础。像在暗场显微镜，DFM图像的对比度似乎改善由于抑制从扩展的样品结构的光学散射。在本文中，我们提出了理论和实验研究的DFM使用生物体模，其中包含多态散射。
2007-03-07 physics.optics
Optical image amplification in dual-comb microscopy by use of optical-fiber-amplified interferogram
双梳显微术（DCM）是一种基于双梳光谱（DCS）和二维光谱编码（2D-SE）相结合的无扫描共焦激光显微术，具有振幅和相位的共焦特性。然而，2D-SE光学系统中的信号损失由于降低的信噪比而阻碍了图像获取速率的增加。在这篇文章中，我们演示了在DCM与掺铒光纤放大器（EDFA）的光学图像放大。图像编码DCS干涉图与EDFA的结合使用不仅有利于幅度和相位图像的批量放大，而且还可以显著抑制放大的自发发射（ASE）背景。光学图像放大DCM的有效性突出在单次拍摄定量纳米级表面形貌和水对流下的聚苯乙烯珠动态的实时电影。该方法将是一个强有力的工具，实时观察表面形貌和快速动态现象。
2020-01-20 physics.optics
Perfect optical absorption-enhanced magneto-optic Kerr effect microscopy
磁性和自旋电子介质提供了基础科学课题和技术应用。磁光克尔效应（MOKE）显微镜提供了最方便的平台来研究自旋，磁性准粒子和畴壁的动力学。然而，在纳米自旋织构和最先进的自旋电子器件的研究中，光学技术通常受到极弱的磁光活性和衍射极限的限制。因此，高度复杂，昂贵的电子显微镜和扫描探针方法已经走到了前列。在这里，我们表明，完美的光学吸收（POA）显着提高了MOKE显微镜的性能和功能。对于1纳米薄的钴膜，我们证明了克尔振幅高达20度和磁畴成像的可见度为0.47。特别是，POA增强MOKE显微镜能够实时检测和统计分析的亚波长磁畴反转。此外，我们利用增强的磁光双折射，并证明分析仪免费MOKE显微镜。POA技术在纳米磁性体系的光学研究和应用中具有广阔的应用前景。
2019-09-29 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Differentiable optimization of the Debye-Wolf integral for light shaping and adaptive optics in two-photon microscopy
通过具有高数值孔径的显微镜物镜控制光是光遗传学、自适应光学或激光加工等应用中的常见要求。光的传播，包括偏振效应，可以在这些条件下使用德拜-沃尔夫衍射积分来描述。在这里，我们利用可微优化和机器学习来有效地优化此类应用的Debye-Wolf积分。对于光整形，我们表明这种优化方法适合于在双光子显微镜中工程任意三维点扩散函数。对于基于可微模型的自适应光学（DAO），所开发的方法可以找到具有内在图像特征的像差校正，例如用遗传编码的钙指示剂标记的神经元，而不需要引导星。使用计算建模，我们进一步讨论的空间频率和像差的幅度，可以用这种方法进行校正的范围。
2022-11-30 cs.LG physics.bio-ph physics.optics
SOFISM: Super-resolution optical fluctuation image scanning microscopy
超分辨率光学显微镜是一个快速发展的科学领域，致力于对亚波长尺寸的物体进行成像，在生物学和技术的多个分支中留下了印记。虽然几种超分辨率光学显微镜方法已成为生命科学成像的常用工具，但由尖端技术支持的新方法不断涌现。一个相当最近除了超分辨率工具箱，图像扫描显微镜（ISM），实现了高达两倍的横向分辨率增强在一个强大的和简单的方式。为了进一步提高ISM在所有三个维度的分辨率，我们提出并实验证明在这里超分辨率光学起伏图像扫描显微镜（SOFISM）。在ISM架构中测量荧光波动对比度，我们获得了具有超过衍射极限的x2.5横向分辨率以及用市售量子点标记的固定细胞样品的增强轴向分辨率的图像。ISM技术的固有时间平均使得能够在毫秒级像素停留时间内获取波动相关对比度的图像。因此，SOFISM可以提供一个强大的路径，以实现高分辨率的图像在一个稍微修改的共聚焦显微镜，使用标准的荧光标记，并在合理的采集时间。
2020-03-07 physics.optics
Conjugate adaptive optics in widefield microscopy with an extended-source wavefront sensor
自适应光学是在显微镜应用中补偿样品引起的像差的策略。一般来说，它需要在样品中存在“引导星”作为局部参考目标。我们描述的共轭自适应光学，这是服从宽视场（即非扫描）显微镜的实施，并可以提供潜在的大视场的像差校正，而不使用导星。我们的实现的一个独特的功能是，它是基于波前传感与单次拍摄分区孔径传感器，提供大的动态范围与扩展的样本兼容。由该传感器和成像相机提供的组合信息使得能够基于通过闭环反馈获得的样本和像差的快速估计来实现鲁棒的图像去模糊。我们提出了我们的技术的理论原理和概念实验演示的证明。
2015-06-10 physics.optics
Optimal transfer functions for bandwidth-limited imaging
经典光学显微镜的基本限制之一是光学分辨率的衍射极限。它是由光学显微镜的光学传递函数（或OTF）的有限带宽引起的，这限制了显微镜透射的最大空间频率。然而，考虑到OTF的频率支持，其完全由所使用的光学硬件确定，一个开放且未解决的问题是什么是跨越该支持的空间频率的最佳振幅和相位分布，其提供“最清晰”的可能图像。在本文中，我们将回答这个问题，并提出如何为任何给定的成像系统找到最佳OTF的一般规则。我们讨论我们的结果在光学显微镜的背景下，特别是考虑的情况下，宽视场显微镜，共焦图像扫描显微镜（ISM），4PI显微镜，和结构照明显微镜（SIM）。我们的研究结果是很重要的，找到最佳的反卷积算法的显微图像，我们证明了这一实验的例子ISM。我们的研究结果也可以作为设计光学系统，提供最好的图像的指导方针，他们可以很容易地推广到非光学成像，如望远镜成像，超声成像，或磁共振成像。
2022-03-10 physics.optics
Inferring scattering-type Scanning Near-Field Optical Microscopy Data from Atomic Force Microscopy Images
本研究提出利用生成式AI模型和分析模型，从AFM图像及探针位置信号推断并生成虚拟s-SNOM数据，无需直接光学测量，显著降低纳米级成像的时间与成本。
2025-04-03 physics.optics
Field of view advantage of conjugate adaptive optics in microscopy applications
光学显微镜的成像性能会因样品引起的像差而降低。消除这些像差的影响的一般策略是使用可变形反射镜（DM）来应用波前校正。在大多数情况下，DM与显微镜光瞳共轭放置，称为光瞳自适应光学（AO）。当像差是空间变化的时，替代配置涉及将DM共轭物放置到主像差源，称为共轭AO。对于空间变化像差由定义明确的相位屏产生的简化情况，我们提供了两种配置的理论和实验比较。我们特别注意由此产生的校正视场（FOV）。发现共轭AO提供显著的FOV优势。虽然这一结果在天文学界是众所周知的，但我们的目标是专门为光学显微镜界重新塑造它。
2015-01-12 physics.optics
Near-field optical microscopy with a nanodiamond-based single photon tip
我们介绍了一个点状扫描单光子源，在室温下工作，并提供了一个特殊的光稳定性（无闪烁，无漂白）。这是通过以受控的方式在光学探针的顶点处接枝具有单个氮空位色心占据的金刚石纳米晶（尺寸约20 nm）来获得的。作为一个应用，我们在近场成像金属纳米结构，从而实现了近场扫描单光子显微镜在室温下的长期工作。我们的工作可能对纳米科学的各个新兴领域都很重要，这些领域需要量子发射体的准确定位，例如量子等离子体激元学。
2009-09-08 physics.optics
Confocal microscopy through a multimode fiber using optical correlation
我们报告了一种利用光学相关通过多模光纤获得共焦成像的方法。首先，我们在校准步骤中测量光纤的传输矩阵。这使我们能够通过对从光纤另一端发送到光纤中的波前进行整形，在光纤的一端创建聚焦点。这些光点在样品上扫描，并且通过光纤从样品返回的光与输入图案光学相关。我们表明，这实现了空间选择性的检测。该技术在微珠、干燥的上皮细胞和盖玻片上进行了演示。
2015-12-10 physics.optics
The optical microscopy with virtual image breaks a record: 50-nm resolution imaging is demonstrated
我们展示了一种新的“微球纳米镜”，使用普通的二氧化硅微球作为超透镜，以创建一个虚像的对象在近场。放大后的虚像大大克服了衍射极限。我们能够在标准白光源下以透射和反射模式清晰地分辨50 nm的物体。白光的分辨率为实时成像病毒、DNA和分子提供了新的机会。
2010-06-21 physics.optics
Differentiable model-based adaptive optics for two-photon microscopy
Center of Advanced European Studies and Research (caesar)（欧洲高级研究中心 (caesar)）
当在生物组织等散射材料中成像时，像差限制了扫描荧光显微镜。用于自适应光学的基于模型的方法利用光学设置的计算模型。这种模型可以与机器学习框架的优化技术相结合，以找到像差校正，如将激光束通过像差聚焦到相机上所证明的那样[arXiv：2007.13400]。在这里，我们将这种方法扩展到双光子扫描显微镜。所开发的无传感器技术发现散射样品中的像差校正，并且将用于一系列成像应用，例如在脑组织中。
2021-04-29 cs.LG physics.optics
Emerging Optical Microscopy Techniques for Electrochemistry
光学显微镜可能是通过图像观察物体和讨论行为的最直观，最简单和最常用的仪器。虽然通过光学显微镜成像电化学过程的想法始于40年前，但直到最近二十年在先进的光学显微镜或等离子体方面取得重大进展，它才成为主流的电分析策略。这篇综述说明了不同的光学显微镜的潜力，以可视化和量化的局部电化学过程与前所未有的时间和空间分辨率（低于衍射极限），高达单个对象的水平与亚纳米粒子或单分子的灵敏度。通过光学和电化学活性模型系统开发，光学显微镜现在正在转向专注于现实世界电化学应用的材料和配置。
2021-09-24 cond-mat.other physics.chem-ph physics.optics
Fundamental precision bounds for three-dimensional optical localization microscopy with Poisson statistics
点源定位是光学成像领域的一个重要问题。特别是，一些广泛使用的生物显微镜技术依赖于精确的三维定位的单个荧光团。由于发射器深度定位比横向定位更具挑战性，因此已经花费了相当大的努力来工程化显微镜的响应，以揭示增加的深度信息。在这里，我们考虑这种方法的理论限制，推导出量子克拉美-拉奥界（QCRB）。我们表明，现有的方法与单目标检测的深度定位超过QCRB的一个因素$>\sqrt{2}$，并提出了一个干涉仪的安排，接近界限。我们还表明，检测两个相对的目标，建立干涉测量技术在全球范围内达到QCRB。
2018-03-06 physics.optics
Laser Scanning Microscopy for Tomographic Imaging of Roughness and Point Absorbers in Optical Surfaces
针对高精度光学表面中点吸收体引发的形变与吸收关联问题，提出一种激光扫描显微断层成像方法，可同时获取表面轮廓相位图像与点吸收体损耗图像，实现了飞米级灵敏度和微米级横向分辨率，为光学表面优化与表面物理研究提供支撑。
2023-12-19 physics.optics
Optical Diffraction Tomography Meets Fluorescence Localization Microscopy
本文将单分子定位显微数据重新建模为无相位光学衍射层析系统，并提出联合优化框架，仅从SMLM帧中同时估计折射率图和荧光分子位置。
2023-07-18 eess.SP physics.optics
Scan-less confocal phase microscopy based on dual comb spectroscopy of two-dimensional-image-encoding optical frequency comb
共焦成像和相位成像是生命科学研究和工业检测的有力工具。为了将这两种具有不同深度分辨率的技术相关联，我们将光学频率梳（OFC）引入到显微镜中。样品的二维（2D）图像像素通过2D光谱编码被编码到OFC模式，其中OFC充当具有大量离散频率通道的光学载体。然后，从双梳光谱获得的模式分辨OFC振幅谱中解码出深度分辨率为62.4 μ m的无扫描全场共焦图像。此外，在上述共焦度下，从模式分辨的OFC相位谱解码出深度分辨率为13.7 nm的相位图像。通过共焦深度分辨率与相位包络周期的匹配可以消除相位包络模糊。建议的混合显微镜的方法将是一个强大的工具，用于各种应用。
2017-05-20 physics.optics
Photoacoustic microscopy with meta-optics
本研究提出在光声显微镜激发光路中采用超构透镜替代传统玻璃元件，实现相位控制与多功能集成，并通过仿真和实验验证其性能优势，增大焦深，推动超构光学在光声成像中的应用。
2024-12-16 physics.app-ph physics.optics
Toward a Thinking Microscope: Deep Learning in Optical Microscopy and Image Reconstruction
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute（加州纳米系统研究所）
我们讨论了最近新兴的应用最先进的深度学习方法在光学显微镜和显微图像重建，使新的转换之间的不同模式和形态的显微成像，完全由图像数据驱动。我们相信，深度学习将从根本上改变光学显微镜中使用的硬件和图像重建方法。
2018-05-23 cs.CV cs.LG physics.optics
Single 5-nm quantum dot detection via microtoroid optical resonator photothermal microscopy
本研究结合回音壁模式微环芯光学谐振腔与光热显微镜，通过集成低振幅调制泵浦激光器、采用PID控制器输出作信号源，实现了信噪比超10⁴的5 nm单量子点检测，灵敏度优于单染料分子检测水平，可应用于多领域。
2023-09-14 physics.optics
Zernike mode rescaling extends capabilities of adaptive optics for microscopy
泽尼克多项式是实验观测到的光学像差的广泛使用的数学模型。它们有用的数学性质，特别是它们的正交性，使它们成为解决束流光学中各种问题的普遍基组。因此，它们在用于校正波前像差的自适应光学实现中得到了广泛的应用。然而，泽尼克像差在与高斯光束结合使用时失去了它们的正交性，高斯光束在现实世界的光学应用中无处不在。因此，高斯光束中的泽尼克像差开始彼此交叉耦合，这是平面波中泽尼克像差不会发生的现象。在这里，我们描述了像差半径如何影响这种泽尼克像差的交叉耦合。此外，我们建议，这种效果实际上可以利用，以允许有效的补偿高阶像差只使用低阶泽尔尼克模式。这一发现具有重要的实际意义，因为它提出了使用具有低元件数的自适应光学装置来补偿通常需要更复杂和昂贵的装置的像差的可能性。
2021-10-27 physics.optics
Tailored Speckle Illumination Microscopy with Enhanced Sectioning and Image Quality
Yale University（耶鲁大学）；Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)（韩国科学技术院）；Boston University（波士顿大学）；Cornell University（康奈尔大学）
本文提出一种定制化三维斑点强度统计的动态斑点照明显微镜，通过轴向变化的斑点对比度增强光学切片，利用聚焦斑点的二值强度减少图像重建噪声，展示了其在生物样本成像中的优越性能。
2026-04-22 physics.optics
CdSe-single-nanoparticle based active tips for near-field optical microscopy
我们提出了一种方法来实现有源光学尖用于近场光学，可以在室温下工作。金属涂覆的光学尖端覆盖有薄的聚合物层，该聚合物层以低密度被CdSe纳米晶体或纳米棒染色。的发射率和发射光谱的活性尖端的时间分析表明，一个非常小的数量的颗粒-可能下降到只有一个-可以在尖端顶点活跃。这为使用单个无机纳米颗粒作为光源的近场光学开辟了道路。
2006-12-21 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Investigation into spiral phase plate contrast in optical and electron microscopy
在显微镜的后焦平面中使用相位板是光学显微镜中的一种成熟技术，以增加弱相互作用样品的对比度，并且在电子显微镜中也引起了人们的兴趣。在本文中，我们研究的螺旋相位板（SPP），也被称为螺旋，涡流，或二维希尔伯特相位板，它增加了一个角度依赖的相位形式$e^{i\ellϕ}$的出射波在傅立叶空间。在大收集角的限制下，我们分析计算出一对$\ell=\pm1$ SPP图像的平均值与出射波的梯度平方成正比，解释了先前在光学SPP工作中看到的边缘对比度。讨论了顺时针-逆时针对SPP图像之间的差异以及这种差异消失和出射波的梯度可以从单个SPP图像中看到的条件。最后，我们演示了如何与三个图像，一个没有和一个与每个$\ell=\pm1$ SPP，可以提供足够的信息来重建的振幅和相位的出口波。这项工作提供了理论背景，解释与SPP获得的图像，并可以帮助使新的实验，例如在电子显微镜的磁性材料的研究。
2016-08-23 physics.optics
Single spin stochastic optical reconstruction microscopy
我们的实验表明，通过结合光学显微镜和自旋共振技术的单量子发射器的精确寻址。为此，我们利用氮空位（NV）的颜色中心的钻石限制在几十纳米的单独可分辨的量子系统。通过开发一个随机光学重建显微镜（STORM）技术的NV中心，我们能够同时进行子衍射极限成像和光学检测的自旋共振（ODMR）测量NV自旋。这允许以纳米级分辨率将自旋共振光谱分配给各个NV中心位置，从而进一步提高空间分辨力。例如，我们通过光谱分辨了以前无法区分的发射体。此外，ODMR光谱包含计量信息，其允许例如具有固有并行数据采集的磁场或电场的亚衍射极限感测。作为一个例子，我们已经检测到纳米级精度的核自旋。最后，我们展望了这种技术如何发展成为一个完全并行的量子传感器，用于离域量子关联的纳米分辨率成像。
2014-04-05 physics.optics quant-ph
Resonant Electro-optic Imaging for Microscopy at Nanosecond Resolution
我们展示了一种电光宽场方法，使荧光寿命显微镜（FLIM）具有高通量和单分子灵敏度。共振驱动的普克尔斯盒用于在39 MHz下有效地门控图像，从而允许在标准相机传感器上捕获荧光寿命。单分子的寿命成像能够在宽视场中进行，曝光时间小于100毫秒。这种能力允许宽场FLIM与单分子超分辨率定位显微镜相结合。快速的单分子动力学，如FRET和分子结合事件，从宽场图像捕获，而无需事先的空间知识。寿命灵敏度达到光子散粒噪声极限的1.9倍，并且通过以毫秒曝光和每帧$>10^8$光子获取宽场FLIM图像来显示高吞吐量。共振电光FLIM允许在任何宽场显微镜方法中的寿命对比。
2021-09-21 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Asymmetric-detection time-stretch optical microscopy (ATOM) for ultrafast high-contrast cellular imaging in flow
在光学显微镜中加速成像速度通常是以牺牲图像对比度、图像分辨率和检测灵敏度为代价来实现的，这是推进高速和高通量细胞成像的常见困境。我们在这里展示了一种新的成像方法，称为不对称检测时间拉伸光学显微镜（ATOM），它可以提供超快无标记高对比度流动成像，具有良好的细胞形态分辨率和在线光学图像放大，以克服高速成像灵敏度的损害。我们表明，ATOM可以分别揭示增强的相位梯度和吸收对比度的微流体活细胞成像在高达~10 m/s的流速，对应于~ 100，000细胞/秒的成像吞吐量。因此，ATOM可以成为满足细胞分析中嵌入光学显微镜的迫切需求的支持平台，例如成像流式细胞术-允许高通量访问单个细胞的形态信息，同时获得标准分析中获得的众多参数。
2013-09-22 physics.med-ph physics.optics
Confocal Raman Microscopy with Adaptive Optics
本研究首次将自适应光学引入共焦拉曼显微镜，采用光流控透射式空间光调制器的无波前传感器方案抵消像差，可无缝适配商用显微镜无需硬件改造，实验实现最高3.5倍信号增强，为生物无标记分子研究提供了基础。
2024-09-13 physics.app-ph physics.optics
Thermally limited force microscopy on optically trapped single metallic nanoparticles
提出并评价了一种基于驻波光阱的新型光学力显微镜。我们的显微镜，在现场校准和动态模式下运行，能够捕获，而不加热，作为一个高度敏感的探针外部辐射压力的单个金属纳米粒子的150 nm。基于Allan偏差的稳定性分析的设置产生了最佳的0.1 Hz的测量带宽，在该显微镜是热限制。在这个带宽，并与一个真正的正弦波外部驱动器，我们证明了一个光学力分辨率下降到3 fN在室温下的水与力检测的动态范围，覆盖近2个数量级。在光阱的受限和自由扩散状态下都能达到这种分辨率。在后者中，我们测量$10^{-11}$ m引起的位移上的被困纳米粒子，空间上限制在小于25 nm沿光轴。
2019-01-24 physics.app-ph physics.optics
Learning imaging mechanism directly from optical microscopy observations
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）
针对光学显微镜中PSF难以直接提取的问题，提出自监督物理信息掩码自编码器PiMAE，从原始图像联合估计PSF与发射体，并在合成和真实实验中验证其精度与鲁棒性。
2023-04-25 cs.LG physics.optics
Fiber laser based stimulated Raman photothermal microscopy with long working distance optics
提出基于光纤激光器的受激拉曼光热显微镜，利用长工作距离光学系统解决传统SRS设备庞大和样品受限问题，实现信噪比提升两个数量级，并将样品空间扩展至厘米级，为多样化应用提供稳健平台。
2025-04-28 physics.ins-det physics.optics
Fluorescence microscopy beyond the ballistic regime by ultrasound pulse guided digital phase conjugation
荧光显微镜在过去的三十年里彻底改变了生物医学研究。其高分子特异性和无与伦比的单分子水平灵敏度使各种研究领域取得了突破。对于体内应用，其主要限制是表面成像深度，因为生物组织中的随机散射导致光波的弹道分量的指数衰减。在这里，我们提出了超越弹道制度相结合的单周期脉冲超声调制和数字光学相位共轭的荧光显微镜。我们证明了近各向同性的三维局部声-光相互作用的成像深度高达十三个散射路径长度。由于数字光学相位共轭系统提供了极高的光学增益，我们可以为高散射介质内的焦点提供足够的光功率，不仅可以用于荧光显微镜，还可以用于各种线性和非线性光谱测量。这项技术为基础生物学研究和临床研究中的许多重要应用铺平了道路。
2012-03-20 physics.ins-det physics.med-ph physics.optics
Super-resolution microscopy of single atoms in optical lattices
我们报告的图像处理技术和实验程序，以确定具有高可靠性的光晶格中的单原子的晶格位置，即使在有限的采集时间或光学分辨率。确定超出衍射极限的原子的位置依赖于与超分辨率显微镜中采用的方法非常类似的参数解卷积。我们开发了一种反卷积方法，该方法有效地利用了光晶格的光学传递函数、噪声特性和离散性的先验知识。我们表明，准确的图像形成过程的知识，使本地化的可靠性显着提高。这使我们能够证明原子在紧密堆积的集合中的位置的超分辨率，其中粒子之间的分离不能直接光学分辨。此外，我们展示了实验方法，精确重建点扩散函数与亚像素分辨率从荧光图像的单原子，我们给出了一个数学基础。本文还讨论了像素探测器中的离散图像采样，并给出了电子倍增CCD相机中噪声源的定量模型。该技术不仅有利于中性原子实验，而且可用于提高超精密力传感中囚禁离子的定位精度。
2016-04-26 physics.optics quant-ph
Coordinate-based neural representations for computational adaptive optics in widefield microscopy
本文提出自监督机器学习算法 CoCoA，利用坐标神经表示与正向物理模型从单个三维图像堆栈中联合估计波前并提取三维结构信息，无需外部训练数据，实现了首次基于机器学习自适应光学的活体小鼠脑宽场成像。
2025-03-07 cs.SY eess.IV eess.SY
