Single-molecule orientation localization microscopy II: a performance comparison
已经开发了各种技术来测量荧光分子的2D和3D位置以及2D和3D取向，其精度优于标准落射荧光显微镜。由于典型的单分子实验中具有挑战性的信号背景比，因此必须选择针对特定目标样品优化的成像系统。在这项工作中，我们比较了多个国家的最先进的和常用的方法对测量精度的基本限制方向定位显微镜的性能。我们的分析揭示了各种实验条件和样品几何形状的最佳成像方法。有趣的是，对标准荧光显微镜的简单修改在许多成像场景中表现出优异的性能。
2021-01-31 eess.IV physics.app-ph physics.ins-det
Optical Fingerprint of Flat Substrate Surface and Marker-free Lateral Displacement Detection with Angstrom-level Precision
我们报告说，平面基板，如玻璃盖玻片的表面粗糙度远低于0.5 nm的功能显着的斑点图案时，观察高灵敏度干涉显微镜。我们发现，这些斑点图案明确起源于亚纳米表面起伏，并开发一个直观的模型来说明如何亚纳米非谐振介电特性可以产生明显的干涉对比在远场。我们引入了光学指纹的概念，与特定的基板表面区域相关联的确定性的散斑图案，并有意地提高潜在的应用程序的散斑振幅。我们证明了这种光学指纹可以利用可重复的位置识别和无标记的横向位移检测，实验精度为0.22 nm。可再现的位置识别使我们能够检测在显微镜外进行的费力过程中开发的新的纳米级特征。所展示的超灵敏位移检测能力可能会在半导体工业和超分辨率光学显微镜中找到应用。
2022-10-19 physics.optics
A statistical resolution measure of fluorescence microscopy with finite photons
本文提出有限光子下荧光显微镜分辨能力的统计度量方法，结合衍射极限与光子统计特性，利用Cramer-Rao下界量化周期结构可分辨性，为现代荧光显微技术确立了含噪声的实际分辨率理论度量。
2023-02-07 physics.optics stat.AP
Label-free microscope for rheological imaging of cells
The University of Queensland（昆士兰大学）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；University of Otago（奥塔哥大学）
该研究提出一种无标记显微镜，可高速测量细胞的流变学特性，实现细胞内黏弹性成像，揭示细胞质骨架的定量流变学特性，应用于癌症研究和临床诊断。
2026-05-13 physics.bio-ph physics.optics
Localization precision in chromatic multifocal imaging
多焦点显微镜可快速获取显微3D图像。使用多焦点光栅光学器件可以实现这一点，然而，这将色散效应引入到影响图像质量和单分子定位精度的点扩散函数中。为了最大限度地减少这种影响，研究人员使用窄带发射滤波器。然而，在这样的系统中的最佳发射滤波器带宽的选择是，迄今为止，不清楚。本文提出了一个理论框架来研究点辐射源的定位精度是如何受到发射滤波器带宽的影响的。我们计算的Cramér-Rao下界的三维位置的一个单一的发射器成像使用彩色多焦点显微镜。结果表明，尽管存在较大的色散，但由于光子吞吐量的增加，随着发射滤波器带宽的增加，定位精度提高。本研究提供了一个框架，优化设计彩色多焦光学系统，并作为解释结果的理论基础。
2020-08-24 physics.bio-ph physics.optics
Microscope for X-ray orbital angular momentum imaging
光子的轨道角动量（OAM）携带在光学涡旋的波前上，由于其基本自由度，在物理研究中具有重要意义。至于与材料的相互作用，基于修改的选择规则，光学OAM被示出转移到价电子，其中单个离子被仔细地对准到涡旋的中心[Schmiegelow等人，（2016）]。我们在这里展示了一个精心设计的方式提取分布的OAM在二维X射线波场在出射面的标本的涡敏感显微镜，检测涡的倒数空间波场下游的光学涡旋。这种方法使我们能够通过一个单一的图像与超过300 $μ$ m的宽视场测量分布的拓扑电荷和OAM。在各种波长中，X射线OAM的研究特别有趣，因为它可能与预测的OAM诱导的X射线二向色性密切相关[Veenendaal et al.（2007）]。
2018-08-10 physics.app-ph physics.optics
Sub-μm axial precision depth imaging with entangled two-colour Hong-Ou-Mandel microscopy
本文提出利用纠缠双光色 Hong-Ou-Mandel 干涉测量结合二维光栅扫描评估半透明样品厚度变化，通过调节纠缠光子对波长间隔主动控制轴向精度与动态范围，实现了亚微米级深度成像精度。
2023-05-10 physics.optics quant-ph
Near-real-time diagnosis of electron optical phase aberrations in scanning transmission electron microscopy using an artificial neural network
在最先进的扫描透射电子显微镜中优化空间分辨率的关键是能够精确测量和校正探针形成透镜的电子光学像差。已经提出了具有最大精度和准确度的用于像差测量和校正的几种诊断方法，尽管通常以相对长的采集时间为代价。在这里，我们说明了如何使用人工智能来提供近实时的诊断畸变从个人Ronchigrams。由于显微镜条件可能快速变化，以及基于MEMS的硬件校正元件的操作（其固有稳定性低于传统电磁透镜），因此所展示的像差测量速度非常重要。
2022-04-23 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det physics.optics
Quantum limits for precisely estimating the orientation and wobble of dipole emitters
精确测量分子取向是理解分子如何在软物质中组织和相互作用的关键，但测量精度的最大理论极限尚未量化。我们使用量子估计理论和Fisher信息（QFI），推导出一个基本的边界上的精度估计的旋转固定分子的取向。虽然显微镜光瞳的直接成像实现了量子限制，但它与宽视场成像不兼容，因此我们提出了一种干涉成像系统，该系统也实现了QFII限制的测量精度。扩展我们的分析，旋转扩散分子，我们推导出的条件，使一个子集的二阶偶极子取向矩测量量子有限的精度。有趣的是，我们发现，没有现有的技术可以测量所有的二阶矩同时与QFII有限的精度;存在一个基本的权衡之间的精确测量分子的平均取向与其摆动。这一理论分析为优化方向敏感成像系统的设计提供了重要的启示。
2020-06-24 eess.IV physics.ins-det physics.optics
Quantum limits to optical point-source localization
由于光学显微镜对科学和工程的重要性，科学家们几个世纪以来一直在思考如何提高其分辨率以及基本分辨率极限的存在。近年来，一种新的显微镜克服了长期以来对分辨率的信念，彻底改变了生物成像。这些技术被称为“超分辨率”显微镜，通过精确定位远场的光学点源来工作。要调查的基本本地化限制，在这里，我推导出量子下限的错误定位点源在自由空间中，充分考虑到量子，nonparaxial，和矢量性质的光子。这些界限对任何测量技术都是有效的，只要它遵守量子力学，并作为显微镜分辨率的一般不通过定理。为了得到分析结果，我主要集中在一个和两个经典单色源的情况下，初始真空光学状态。对于一个源，均方根位置估计误差的下限大约为$λ_0/\sqrt{N}$，其中$λ_0$是自由空间波长，而$N$是辐射光子的平均数。对于两个源，由于统计效应的滋扰参数，误差界发散时，它们的辐射场重叠显着。本文还讨论了利用压缩光场进一步提高经典点源定位精度的方法以及部分相干源和单光子源的定位极限。所提出的理论建立了一个严格的量子统计推理框架的研究超分辨率显微镜和点的可能性，使用量子技术的真正的分辨率增强。
2015-07-27 physics.optics quant-ph
Bright Pulsed Squeezed Light for Quantum-Enhanced Precision Microscopy
University of Queensland（昆士兰大学）；U.S. Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）
本研究提出利用波导中的χ²光学参量放大过程生成高亮脉冲压缩光，实现量子增强的高精度显微镜技术。
2026-01-22 physics.optics quant-ph
Subnanometer localization accuracy in widefield optical microscopy
常见的假设，精度是定位显微镜的准确性的限制和光学显微镜的全面校准的典型缺乏导致一个普遍的问题-过度自信的测量结果与纳米级的统计不确定性，可能是无效的，由于微尺度系统误差。在这篇文章中，我们报告了一个全面的解决方案，这个低估的问题。我们开发的亚分辨率孔径阵列到第一个参考材料，使定位误差接近原子尺度在亚毫米场。我们提出了新的方法来校准我们的显微镜系统，使用光圈阵列和开发像差校正，达到我们的参考材料的精度极限。我们校正和配准来自多种颜色的定位数据，并以相同的精度测试不同的光发射源，这表明我们的参考材料和校准方法具有普遍适用性。在我们的新的测量能力的第一个应用程序中，我们引入了临界尺寸定位显微镜的概念，促进纳米加工工艺和孔径阵列的质量控制的测试。在第二个应用中，我们应用这些稳定的参考材料来回答关于通常用作基准标记的荧光纳米颗粒的明显不稳定性的开放性问题。我们的研究为宽视场光学显微镜的亚纳米定位精度奠定了基础。
2018-05-22 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Sub-nanometer 3D morphometric precision of polarisation-resolved wide-field optical extinction microscopy determines the roundness of individual gold nanospheres
Cardiff University（卡迪夫大学）；Al-Furat Al-Awsat Technical University（阿尔富拉特阿尔奥萨特技术大学）
通过极化分辨宽场光学消光显微镜，实现了单个金纳米球的亚纳米级三维形态精度测量，精度优于5%，尺寸精确到0.1 nm。
2026-02-09 cond-mat.mes-hall physics.optics
An integrated quantitative single-objective light-sheet microscope for subcellular dynamics in embryos and cultured multicellular systems
Institut Pasteur（巴斯德研究所）；Princeton University（普林斯顿大学）
本文提出了一种集成的定量单目标光片显微镜平台，用于研究胚胎、干细胞和三维培养系统中的转录和核组织动态，实现了高分辨率和稳定性的体积分像。
2025-12-29 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Fundamental bounds on the precision of iSCAT, COBRI and dark-field microscopy for 3D localization and mass photometry
干涉成像是一种新兴的粒子跟踪和质量光度测量技术。质量或位置从弱信号估计，从纳米粒子或单分子相干散射，并与共同传播的参考干扰。在这项工作中，我们进行了统计分析，并推导出下限的测量精度的参数的兴趣从散粒噪声有限的图像。这是通过计算经典的Cramér-Rao界的本地化和质量估计，使用一个精确的矢量模型的干涉成像技术。然后，我们推导出有效的任何成像系统的基础上，量子克拉美-拉奥形式主义的基本界限。这种方法可以对常用技术进行严格和定量的比较，例如干涉散射显微镜（iSCAT），相干散射场显微镜（COBRI）和暗场显微镜。特别是，我们证明了在iSCAT的光收集几何形状大大增加了轴向位置的灵敏度，和量子克拉美-拉奥界的质量估计产生最小的相对估计误差$σ_m/m=1/(2\sqrt{N})$，其中$N$是收集的散射光子的数量。
2021-06-20 physics.optics stat.AP
Fundamental Bounds on Radio Localization Precision in the Far Field
本文从实验和理论上研究了远场接收信号强度（RSS）测量无线电定位精度的基本界限。RSS测量与功率流测量成比例，功率流测量在与辐射的相干时间相比长的周期上时间平均。我们的实验是在一个新的本地化设置使用2.4GHz的准单色辐射，这对应于12.5厘米的平均波长。我们的实验和理论表明，RSS测量是互相关的最小距离，接近衍射极限，这等于一半的平均波长的辐射。我们的实验表明，测量RSS超过一个样本每一半的平均波长的采样密度不增加本地化精度，作为根均方误差（RMSE）渐近收敛到大约一半的平均波长。这增加了衍射极限确定（1）定位精度的下限和（2）提供最佳定位精度的采样密度的证据。我们通过实验验证了Fisher信息，Cramér-Rao下限（CRLB）和不确定性之间的理论关系，其中不确定性是由相干性和散斑理论导出的衍射下界。当我们将Fisher信息与衍射相协调时，CRLB与实验结果的准确度为97- 98%。
2016-02-23 cs.IT math.IT physics.class-ph
Fundamental precision limits of fluorescence microscopy: a new perspective on MINFLUX
本文提出一种多参数估计框架，通过引入亮度等未知参数评估单发射体定位精度，揭示了MINFLUX中精度提升的关键因素，并证明该方法适用于任意光学荧光显微镜方法的精度量化。
2023-06-28 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
