Fifth Harmonic and Five-Photon Excitation Fluorescence Multiphoton Microscopy
本研究将五阶非线性光学过程应用于多光子显微技术，通过五次谐波和5光子激发荧光实现更高分辨率和更深穿透深度，适用于生物、材料、地质及半导体等领域。
2025-06-26 physics.optics
Digitally synthesized beat frequency multiplexing for sub-millisecond fluorescence microscopy
荧光成像是揭示生物样品分子组成的最广泛使用的方法。然而，荧光探针的弱光发射以及成像速度和灵敏度之间的权衡对于获取快速现象的无模糊图像是有问题的，例如活细胞和组织中的亚毫秒生化动力学以及高速流动的细胞。我们报告了一种解决方案，实现实时像素读出速率比现代电子倍增器电荷耦合器件（EMCCD）-高速荧光成像技术的黄金标准快一个数量级。被认为是使用射频多路复用激发（FIRE）的荧光成像，这种方法使用数字合成光场的拍频将图像映射到射频光谱中。我们展示了在4.4 kHz的帧速率下静止细胞的衍射限制共聚焦荧光成像，以及在大约每秒50，000个细胞的吞吐量下流动的荧光显微镜。
2013-03-05 physics.optics
Exploiting speckle correlations to improve the resolution of wide-field fluorescence microscopy
荧光显微镜在纳米科学和生物科学中是不可或缺的。用荧光染料标记靶结构的多功能性允许以宽视野以亚细胞分辨率可视化结构和功能。由于衍射极限，传统的光学显微镜仅限于分辨大于200 nm的结构。通过近场和远场超分辨显微镜方法可以提高分辨率。近场方法通常具有有限的视场，并且远场方法受到所涉及的常规光学器件的限制。在这里，我们介绍了一种结合高分辨率和宽视场荧光显微镜的方法，提高了传统的光学显微镜的分辨率，通过利用散斑照明的相关性，通过随机散射的高折射率介质：散斑相关分辨率增强（SCORE）。作为测试，我们收集了100 nm直径的染料掺杂纳米球的二维荧光图像。我们证明了一个解卷积分辨率为130 nm的视野为10 × 10 $\text{μm}^2$。
2014-10-08 physics.optics
Spatio-angular fluorescence microscopy I. Basic theory
我们介绍了荧光显微镜的空间-角度理论的基本要素，提供了一个统一的框架，用于分析系统，图像单个荧光偶极子和重叠偶极子标记生物分子的合奏。我们建模的消球差显微镜成像的合奏焦点荧光偶极子作为一个线性希尔伯特空间算子，我们表明，该算子采取一个特别方便的形式时，表示在一个基础上的复指数和球谐函数$-$的形式，我们称之为偶极的空间角传递函数。我们讨论了我们的分析对所有定量荧光显微镜研究的影响，并制定了一个完整的理论路径。
2019-01-03 physics.optics q-bio.QM
Integral refractive index imaging of flowing cell nuclei using quantitative phase microscopy combined with fluorescence microscopy
我们提出了一种新的多模态成像技术，用于定量测量悬浮液中活生物细胞核的积分（厚度平均）折射率。为此目的，我们将定量相位显微镜与同步二维荧光显微镜相结合。我们使用2-D荧光显微镜定位细胞内的定量相位图的细胞核，以及测量核半径。如通过3-D共聚焦荧光显微镜和通过2-D荧光显微镜同时在流动期间旋转细胞所离线验证的，不在分裂期间的悬浮液中的细胞核可以假定为椭圆体。悬浮液中细胞的整个形状可以假定为球形。然后，细胞和细胞核的3-D形状可以分别基于可从2-D相位和荧光测量获得的它们的平面内半径来评估。最后计算了原子核的积分折射率分布。我们在癌细胞上展示了新技术，获得了低于细胞质的细胞核折射率值，与最近的发现一致。我们相信，所提出的技术有可能被用于流式细胞术，其中全三维折射率断层扫描是太慢，在流动过程中实施。
2019-09-03 physics.bio-ph 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
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
Dynamic Spectral fluorescence microscopy via Event-based & CMOS image-sensor fusion
本文提出融合事件传感器与CMOS的宽场荧光显微镜，结合衍射光学编码和深度神经网络，实现微秒级时间分辨与纳米级光谱区分，验证了超快动态光谱成像能力。
2024-10-21 physics.optics
Deconvolution in Fluorescence Lifetime imaging microscopy (FLIM)
荧光寿命成像显微镜（FLIM）是了解细胞和组织中化学微环境的重要技术，因为与常规荧光成像相比，它提供了额外的对比度。当激发衍射极限内的两个荧光团时，所产生的发射导致强度（幅度）和寿命（相位）分量中的非线性空间失真和局部化效应。为了解决这个问题，在这项工作中，我们提供了一个理论模型，卷积FLIM来描述所产生的行为如何不同于传统的荧光显微镜。然后，我们提出了一个基于Richardson-Lucy（RL）的去卷积，包括总变差（TV）正则化方法，以纠正由于光学卷积在FLIM测量中的失真，并在荧光标记的固定牛肺动脉内皮细胞（BPAE）细胞的多光子显微镜（MPM）-FLIM图像上实验证明了这种FLIM去卷积方法。
2022-01-16 eess.IV physics.bio-ph physics.optics
3D Computational Cannula Fluorescence Microscopy enabled by Artificial Neural Networks
计算套管显微镜（CCM）是一种高分辨率的宽视场荧光成像方法，深入组织内部，这是微创的。手术套管不是使用传统的透镜，而是充当用于激发和荧光发射的光管，其中计算方法用于图像可视化。在这里，我们用人工神经网络增强CCM，使培养的神经元和荧光珠的3D成像成为可能，后者在体积模型内。我们的实验表明，横向分辨率~ 6 um，视场~ 200 um和轴向切片~ 50 um的深度下降到~ 700 um，所有实现的计算时间为~ 3 ms/帧的笔记本电脑上。
2020-07-18 eess.IV physics.optics
A versatile dual spot laser scanning confocal microscopy system for advanced fluorescence correlation spectroscopy analysis in living cell
提出了一种基于两个独立测量体积的荧光相关光谱系统。详细介绍了光学设置和数据采集硬件，以及控制测量体积的位置，大小和形状的完整协议。提出了一种允许独立地监测激发和收集效率分布的方法。最后，利用静态和/或扫描方案中的两个点的测量的几个例子，报告。
2009-07-29 physics.optics
Asynchronous-spectral fusion fluorescence microscopy for microsecond-scale behavioral dynamics
University of Utah（犹他大学）；Howard Hughes Medical Institute（霍华德·休斯医学研究所）
本文提出一种融合异步事件流与衍射编码CMOS测量的荧光显微镜架构，实现微秒级时间分辨率与光谱分辨的解耦，支持10万帧/秒的光谱追踪。
2026-03-19 physics.optics
Full Field Supercritical Angle Fluorescence Microscopy for live cell imaging
我们介绍了一种全视场荧光成像技术，在样品/衬底界面处具有约100 nm的轴向限制。与标准的表面成像技术相反，这种限制是通过发射滤波获得的。该技术基于超临界排放选择性。它可以在任何具有商业高数值孔径物镜的落射荧光显微镜上实现，并提供实时表面成像能力。这种技术是活细胞膜和粘附研究特别感兴趣。使用HEK细胞，我们表明，可以同时观察到的表面和深入的细胞现象。
2013-07-19 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
Light tailored by multimode fiber for multiphoton fluorescence microscopy
本研究提出将高斯光束注入石英渐变折射率多模光纤生成仅含方位角不变导模的光束，该极简低成本方法有效提升了双光子显微镜的轴向分辨率。
2024-04-23 physics.optics
Large-field-of-view Chip-scale Talbot-grid-based Fluorescence Microscopy
荧光显微镜是现代临床诊断和生物科学中最重要的工具之一。然而，它的成本，尺寸和有限的视场（FOV）正在成为关键应用的瓶颈，如大规模表型分析和低资源设置诊断。在这里，我们报告了一种低成本，紧凑的芯片级荧光成像平台，称为荧光塔尔博特显微镜（FTM），它利用塔尔博特自成像效应，使高效的荧光成像在一个大的和直接可扩展的FOV。FTM原型的分辨率为1.2微米，FOV为3.9 mm x 3.5 mm。我们证明了FTM对荧光标记的乳腺癌细胞（SK-BR-3）和表达绿色荧光蛋白的HEK细胞的成像能力。
2012-10-08 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Quantum superresolution in fluorescence microscopy
阿贝在140年前提出的光学衍射极限，对经典光学中的成像分辨率施加了限制。在过去的二十年里，已经提出了许多理论方案，利用光的量子特性来克服光学成像中的衍射障碍。然而，亚衍射极限量子成像的实验实现仍然难以捉摸。在这里，我们展示了一种量子成像方法，利用非经典光自然产生的荧光显微镜由于光子反聚束，一个根本的量子现象，禁止同时发射多个光子。使用光子计数数码相机，我们检测反聚束诱导的二阶和三阶强度相关，并在标准宽场荧光显微镜进行亚衍射极限量子成像。
2013-07-11 physics.optics quant-ph
Resonant Scanning with Large Field of View Reduces Photobleaching and Enhances Fluorescence Yield in STED Microscopy
光漂白是超分辨受激耗尽发射（STED）显微术的一个主要限制。快速扫描一直被认为是一种有效的手段，以减少在荧光显微镜的光漂白，但仔细定量研究这个问题是失踪。在本文中，我们表明，在STED显微镜的光漂白速率减慢和荧光产率提高扫描高线速度，使我们定制的共振扫描STED显微镜的大视场。扫描速度对光漂白和荧光产率的影响在较高水平的耗尽激光辐照度下更为显著，并且在传统的共聚焦显微镜中几乎消失。当耗尽辐照度>0.2 GW $\cdot$ cm $^{-2}$（时间平均值）时，我们能够将Atto 647 N染料的荧光存活时间延长约80%，视野宽8倍。我们证实，STED光漂白主要是由耗尽光作用于激发的荧光团引起的。实验数据与理论模型一致。我们的研究结果鼓励进一步提高线性扫描速度，减少在STED显微镜的光漂白。
2015-01-18 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Sample Motion for Structured Illumination Fluorescence Microscopy
本研究针对结构照明显微镜需多照明模式的问题，提出利用单散斑照明和样品固有运动，从运动中拍摄的荧光图像联合估计运动与超分辨图像的方法，并通过仿真与实验验证了可行性。
2025-02-27 eess.IV 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
Compressive three-dimensional super-resolution microscopy with speckle-saturated fluorescence excitation
非线性结构照明显微术（nSIM）是实现超分辨宽场荧光显微术的有效方法，理论上可实现无限分辨率。在nSIM中，精心设计的高对比度照明图案与光学过渡的饱和相结合，以实现亚衍射成像。虽然该技术被证明对二维成像有用，但由于有机荧光团在剧烈循环条件下会褪色/疲劳，将其扩展到三维（3D）具有挑战性。在这里，我们提出了一种压缩传感方法，允许第一次通过饱和荧光激发培养细胞的3D亚衍射nSIM。利用横向散斑照明平面的自然正交性，通过单个二维扫描实现样品的3D探测。饱和激发下的荧光对比度通过与偏振散斑图案中的光学涡旋相关联的强度最小值的固有高密度来确保。因此，压缩散斑显微术是一种简单的方法，其能够实现具有潜在地显著减少的采集时间和光漂白的3D超分辨nSIM成像。
2018-10-15 physics.bio-ph 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
The noisy image retrieval for fluorescence digital microscopy
研究了消除显微镜光路中光学元件非线性引起的相位和振幅畸变的有效光学工具。这个鲁棒的过程描述了简单的理论模型被证明是成功的修复噪声与信号比接近100的图像。它表明，范Cittert-Zernike定理提供了足够的描述不完善的显微镜下工作的相干和非相干照明条件下，并有混浊介质的对象和中间平面。
2004-04-21 physics.med-ph physics.optics
In vivo three- and four-photon fluorescence microscopy using a 1.8 $μ$m femtosecond fiber laser system
多光子显微镜使我们能够在体内成像细胞动力学。然而，用于用市售激光器成像的激发波长大多限于650-1040 nm之间。在这里，我们开发了一个飞秒光纤激光器系统，产生$\sim$ 150 fs的脉冲在1.8 $μ$ m。我们的系统从掺铒石英光纤激光器开始，其波长被转换为1.8 $μ$ m使用拉曼位移光纤。1.8 $μ$ m脉冲用两级Tm：ZBLAN光纤放大器放大。最终脉冲能量为$\sim$ 1 $μ$ J，足以用于体内成像。
2022-10-05 physics.optics
Nanoscale resolution for fluorescence microscopy via adiabatic passage
我们建议使用的亚波长定位通过绝热通过技术的荧光显微镜在远场的纳米级分辨率。该技术使用相干耦合到两个激光脉冲的Λ型介质：在其空间分布中具有节点的泵浦和斯托克斯。除了在节点位置外，Λ系统的布居数从一个基态向另一个基态转移，产生一个窄的布居数峰.这种相干定位允许具有纳米横向分辨率的荧光成像。我们推导了一个解析表达式来评估分辨率，并与相干布居捕获和受激发射耗尽技术进行了比较。
2015-04-13 physics.bio-ph physics.optics quant-ph
Retinal fluorescence microscopy in artificial ophthalmic environment: the Humanized Phantom Eye
幻影眼装置被设计成模仿人眼的光学特性;然而，视网膜结构通常用合成组织来模拟。因此，目前不可能利用幻影眼装置对培养物或离体组织进行荧光显微镜实验，尽管这些眼科测量对于许多应用例如视网膜生物标志物的测试将是重要的。在这里，我们报告和描述了一个幻影眼的发展，旨在宿主生物样品，如视网膜培养分化的人诱导多能干细胞。我们表征了人源化幻眼在标准生物标志物如Alexa Fluor 532和Alexa fluor 594上的成像性能。
2022-11-22 physics.med-ph physics.optics
Improving Richardson--Lucy Deconvolution with Diffusion Priors for Fluorescence Microscopy
University of Notre Dame（圣母大学）
针对荧光显微镜反卷积的ill-posed问题，提出将基于分数的扩散先验集成到Richardson-Lucy迭代框架中，在保持泊松数据一致性的同时抑制噪声放大，改善低光子计数下弱丝状和点状结构的重建。
2026-08-27 eess.IV physics.optics
Universal scaling of resolution with photon number in superresolution fluorescence microscopy
超分辨率荧光显微镜技术突破了衍射极限，使生物物理学和纳米科学中的超高分辨率成像成为可能。在实验研究的所有情况下，分辨率与测量所用光子数的某些参数的平方根成反比。然而，这种普遍存在的限制产生于不同方法中非常不同的机制，这就提出了一个问题，即它是否是一个不能被超越的基本限制，或者仅仅是迄今为止研究的技术的巧合。我们证明，在非常一般的假设，基本上包括所有的荧光显微镜的情况下，已知的分辨率限制确实是普遍的。我们的模型考虑了通过与我们的假设（1）表现出散粒噪声的光和（2）可以用速率方程建模的分子兼容的任何任意步骤序列建立图像的实验。对我们假设的详细检查表明，超过这个分辨率限制将需要使用量子光学效应，这为未来的创新指明了一条道路。
2012-10-09 physics.bio-ph physics.optics
Computational TIRF enables optical sectioning beyond the evanescent field for widefield fluorescence microscopy
计算TIRF通过深度学习实现宽场荧光显微镜超越衰减场的光学分层，无需光学修改即可生成TIRF-like图像，并在密集标记样本中实现单帧和体积分层重建。
2026-01-23 cs.AI physics.optics
Noninvasive megapixel fluorescence microscopy through scattering layers by a virtual reflection-matrix
本文提出利用少量宽场荧光图像构建虚拟反射矩阵，经矩阵散射补偿算法实现散射层后非侵入式百万像素荧光成像，无需空间光调制器，计算高效。
2023-12-26 physics.app-ph physics.optics
Scan-less full-field fluorescence-lifetime dual-comb microscopy using two-dimensional spectral mapping and frequency multiplexing of dual-optical-comb beats
本文提出一种基于双光梳拍频二维光谱映射和频率复用的无扫描全场荧光寿命显微成像方法，无需机械扫描即可实现高定量性的荧光幅度与寿命双模态成像。
2020-03-20 physics.app-ph physics.optics
Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy Analysis of Isolated Melanosomes
本研究首次利用FLIM技术分析分离的黑素体，发现黑色素在长时间激光照射下会发生光致结构变化，寿命在几分钟至一小时内显著改变。
2025-07-12 physics.bio-ph physics.optics
Spatio-angular fluorescence microscopy II. Paraxial 4$f$ imaging
我们调查的性质，单视图荧光显微镜在4 $f$几何成像荧光偶极子时，不使用标量或标量近似。我们表明，这种成像系统具有空间角度的频带限制，我们利用频带限制进行有效的模拟。值得注意的是，我们表明，近轴荧光显微镜记录的信息在焦点荧光团的合奏的面外取向。此外，我们表明，ESTA近似可能会导致有偏见的荧光团浓度的估计，但这些偏差是小的，当样品中包含许多随机取向的荧光团在每个可分辨的体积或不受约束的旋转荧光团。
2019-01-04 physics.optics q-bio.QM
Three-dimensional virtual refocusing of fluorescence microscopy images using deep learning
University of California, Los Angeles（加利福尼亚大学洛杉矶分校）；California Nano Systems Institute (CNSI)（加州纳米系统研究所）；David Geffen School of Medicine（大卫·格芬医学院）；Hebrew University of Jerusalem（耶路撒冷希伯来大学）
三维（3D）荧光显微术通常需要轴向扫描以在不同平面处捕获样品的图像。在这里，我们证明了可以训练深度卷积神经网络，以将2D荧光图像虚拟地重新聚焦到样本体积内的用户定义的3D表面上。有了这个数据驱动的计算显微镜框架，我们使用在单个焦平面获取的荧光图像的时间序列在3D中成像秀丽隐杆线虫蠕虫的神经元活动，数字化地将显微镜的景深增加了20倍，而无需任何轴向扫描，额外的硬件，或成像分辨率或速度的权衡。此外，我们证明了这种基于学习的方法可以校正样品漂移，倾斜和其他图像畸变，所有这些都是在采集单个荧光图像后进行数字化处理的。这种独特的框架还将不同的成像模式相互交叉连接，使单个宽场荧光图像的3D重新聚焦能够匹配在不同样品平面获得的共焦显微镜图像。这种基于深度学习的3D图像重聚焦方法对于3D生物样品的成像和跟踪可能是变革性的，特别是在延长的时间段内，减轻了与标准3D荧光显微镜技术相关联的光毒性、样品漂移、像差和散焦相关的挑战。
2019-11-02 cs.CV cs.LG physics.app-ph
Fluorescence-Enhanced Mid-Infrared Photothermal Microscopy
中红外光热显微技术是一种利用可见光感应脉冲红外激光诱导的光热效应的新型化学成像技术。该技术提供亚微米空间分辨率的红外光谱信息，并实现活细胞和生物体的红外光谱和成像。然而，目前的中红外光热成像灵敏度受到散射对温度的弱依赖性的影响，并且图像质量容易受到散射引起的散斑的影响。在这里，我们提出了一种新版本的中红外光热显微镜，其中利用热敏荧光探针来感测中红外光热效应。荧光强度可以在每开尔文1%的水平上调制，这是散射强度调制的100倍。此外，荧光发射没有斑点，因此大大提高了图像质量。此外，荧光团可以靶向特定的细胞器或生物分子，从而增强光热成像的特异性。光谱保真度通过对单个细菌进行指纹识别来确认。最后，光漂白的问题是成功地解决了通过开发一个宽视场的荧光增强的中红外光热显微镜，它允许视频速率键选择性成像的生物标本。
2021-04-06 physics.optics q-bio.BM
Super-resolution Live-cell Fluorescence Lifetime Imaging
该研究将超分辨率结构光照明显微镜与电光荧光寿命成像结合，提出SIMFLIM技术，实现156 nm分辨率的高帧率活细胞理化参数监测，可用于多重成像、环境传感等场景。
2025-02-23 physics.optics
Non-degenerate 2-photon excitation in scattering medium for fluorescence microscopy
用两个不同光子能量的激光束对荧光团进行非简并双光子激发（ND-2 PE），为每个光束的光子通量的调谐提供了独立的自由度。该特征利用在3光子显微镜中使用的红外波长来实现增加的穿透深度，同时保持相对高的简并2光子激发（D-2 PE）截面，超过用3光子激发可实现的。在这里，使用空间和时间上对齐的钛：蓝宝石激光器和光学参量振荡器光束工作在近红外（NIR）和短波红外（SWIR）的光学频率，分别，我们提供了一个实际的演示，在散射介质中的非简并制度激发的荧光团的发射强度是更有效的比常用的D-2 PE。
2016-04-01 physics.optics
Fluholoscopy. Compact and Simple Platform Combining Fluorescence and Holographic Microscopy
本研究提出一种名为Fluholoscopy的紧凑型简易共路双模显微平台，采用单一波长同时激发荧光与提供相干照明，经带通滤光片分光后由双相机同步实现单快照荧光与定量相位成像，并通过静态和动态样本完成验证。
2025-01-16 physics.optics
Super-resolution capacity of variance-based stochastic fluorescence microscopy
本文从数学上刻画了随机散斑照明图像方差中的样品信息，证明当散斑相关长度与观测点扩散函数宽度一致时可获得两倍分辨率提升，并比较了RIM与SOFI两类基于方差的方法的差异。
2023-11-23 physics.optics stat.ME
Learned Single-Pixel Fluorescence Microscopy
本文提出自监督学习的自编码器以联合优化单像素荧光显微成像的测量矩阵与重建网络，在真实多光谱和强度数据上实现百倍提速、更高画质及低成本多光谱成像。
2025-07-24 cs.CV cs.LG eess.IV
Fundamental Limits on Measuring the Rotational Constraint of Single Molecules using Fluorescence Microscopy
光学荧光成像能够测量单个分子的空间和旋转动力学。然而，不可避免的测量噪声将导致旋转动力学的不准确估计，导致分子看起来比实际上更受旋转约束。我们报告了一个数学框架来计算的基本限制的准确性，在测量的旋转迁移率的偶极类发射器。通过将我们的框架应用于平面和三维方法，我们提供了一种根据实验条件选择最佳取向测量技术的方法。
2019-04-19 physics.app-ph physics.chem-ph physics.data-an
Structured illumination fluorescence microscopy using Talbot self-imaging effect for high-throughput visualization
我们报告了一种新的扩展结构照明（SI）显微镜，利用塔尔博特自成像效应，以产生一个SI图案的视场（FOV）和分辨率不受限制的显微镜物镜的数值孔径（NA）的样品。这使得高分辨率SI图案生成（高达自由空间传播极限）跨越大FOV，这反过来又允许SI显微镜有效地适应高通量成像。我们证明了这个概念，使用一个简单的原型显微镜成像一个大的FOV（450 × 350微米）与衍射限制的荧光分辨率限制的显微镜NA为2微米。一个定制的结构化元件，设计与周期性的空间特征超出了显微镜成像物镜的衍射极限，被定位在一个整数倍的塔尔博特距离的一半远离样品。这通过Talbot自成像效应在样品平面处产生了大FOV、子衍射SI图案。然后使用常规SI超分辨率原理将整个FOV的成像分辨率提高到500 nm，大约是显微镜NA衍射极限的4倍。这种方法也应该适用于高通量的亚衍射分辨率多模成像。
2018-01-10 physics.optics
Fluorescence microscopy of single autofluorescent proteins for cellular biology
本文综述了自体荧光蛋白在单分子生物学成像中的应用。绿色荧光蛋白（GFP）和DsRed的几个突变体的物理特性进行了比较，并严格讨论其在细胞生物学中的应用。在单分子水平或荧光相关光谱的双光子激发的替代使用被设想用于个体自体荧光蛋白的研究。单分子实验中进行的活细胞使用eGFP，最好是eYFP融合蛋白进行审查。最后，第一次使用在单分子水平的黄嘌呤，一个更光稳定的变体的eYFP时，融合到一个受体的神经递质在活细胞中的报告。
2007-04-29 physics.bio-ph physics.optics
Super-resolved FRET imaging by confocal fluorescence-lifetime single-molecule localization microscopy
基于FRET的方法是用于感测（生物）分子的直接环境和相互作用的独特工具。FRET成像和FLIM（荧光寿命成像显微镜）使分子相互作用和功能状态的空间分布可视化。然而，传统的FLIM和FRET成像提供了衍射限制体积内的分子系综的平均信息，这限制了所观察到的信号的空间信息、准确性和动态范围。在这里，我们展示了一种方法，以获得超分辨FRET成像的基础上，使用商业时间分辨共聚焦显微镜的早期原型的单分子定位显微镜。使用荧光探针的DNA点累积用于纳米尺度形貌成像（DNA-PAINT）提供了与通常的共聚焦显微镜的扫描速度兼容的背景减少和闪烁动力学的合适组合。一个单一的激光被用来激发供体，一个宽的检测带被用来检索供体和受体的发射，和FRET事件检测寿命信息。
2022-11-28 physics.bio-ph physics.optics
Cramér-Rao analysis of lifetime estimations in time-resolved fluorescence microscopy
通过时间相关单光子计数（TCSPC）测量荧光发射体的寿命是从纳米光子学到生物学的许多研究领域中的常规程序。这种测量的精度取决于探测到的光子的数量，但也取决于测量过程中产生的各种噪声源。利用Fisher信息理论，我们计算了单指数和双指数分布下寿命估计精度的下界。我们分析了寿命估计精度对实验相关参数的依赖性，包括非均匀背景噪声和仪器响应函数（IRF）的设置的贡献。我们还提供了一个开源代码，以确定任何实验条件下的估计精度的下限。两个实际的例子说明了如何使用这个工具，以达到最佳精度的时间分辨荧光显微镜。
2019-07-16 physics.ins-det physics.optics
Supercritical angle microscopy and spectroscopy
荧光检测，无论是涉及传播或近场发射，被广泛用于光谱学，传感和显微镜。全内反射荧光（TIRF）通过渐逝（近）场限制荧光激发，并且它是用于表面选择性荧光测定的流行的对比度发生器。它的发射当量，超临界角荧光（SAF）是无条件建立的，虽然它实现了类似的光学切片TIRF。当荧光分子非常靠近界面并且其近场发射耦合到高折射率介质（n2 > n1）并且变得传播时，SAF出现。然后，大多数荧光在较高折射率衬底的一侧是可检测的，并且该荧光的大部分被发射到斯涅耳定律所禁止的角度中。SAF以及亚临界角荧光（UAF）（远场发射）分量可以用具有足够高的检测孔径NA > n2的显微镜物镜收集，并且通过傅立叶滤波在后焦平面（BFP）中分离。BFP图像编码有关荧光团辐射图案的信息，并且可以对其进行分析，以产生有关发射器嵌入的折射率，它们与界面的纳米距离及其方向的精确信息。SAF显微镜可以通过宽场光学器件以空间分辨的方式检索此近场信息，并且此功能可以添加到任何现有的倒置显微镜。
2020-01-15 physics.optics q-bio.QM
Multiplexed phase-space imaging for 3D fluorescence microscopy
光学相空间函数同时描述空间和角度信息;例子包括射线光学中的光场和波动光学中的维格纳函数。相空间的测量能够实现数字重聚焦、像差去除和3D重建。然而，4D相空间数据集的高分辨率捕获具有挑战性。以前的扫描方法速度慢，光效率低，不能达到衍射极限的分辨率。在这里，我们提出了一个多路复用的方法，解决这些问题。我们在显微镜的光瞳平面中使用空间光调制器（SLM），以便在真实空间中捕获图像的同时顺序地图案化复用编码孔径。然后，我们通过正则化最小二乘法和近似加速梯度下降求解器求解逆问题来重建样品的3D荧光分布。我们实验重建101兆像素的3D体积（$1010\times510\times500μ$ m与NA 0.4），展示了改进的采集时间，光通量和分辨率相比，扫描孔径方法。我们灵活的图案化方案进一步允许利用样品中的稀疏性来减少数据捕获。
2017-05-30 physics.optics
Depth-dependent resolution quantification in 3D fluorescence microscopy
本研究提出一种量化3D荧光显微镜中随深度变化分辨率的方法，在果蝇大脑验证，量化双光子相对共聚焦的成像提升，可客观测量激光功率调优的效果，适用于跨系统比较及指导生物实验设计。
2023-06-09 physics.optics q-bio.QM
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
Aberration measurement and correction on a large field of view in fluorescence microscopy
由样品和/或样品架引起的像差限制了光学显微镜的分辨率。波前校正可以使用具有波前无传感器优化算法的可变形反射镜来实现，但是，尽管这些系统很复杂，但校正的水平通常限于显微镜视场中的小区域。在这项工作中，我们提出了一个即插即用的像差测量和校正模块。波前校正是通过使用旋转瞳孔像差测量和闭环控制可变形透镜的直接波前重建来执行的。透镜校正视场中心的像差，在边缘留下残余像差，这些残余像差通过非等晕去卷积来去除。我们目前的实验结果，在荧光显微镜，具有广泛的领域和光片荧光显微镜。这些结果表明，在整个视场的检测和校正，可以实现与紧凑的透射模块放置在荧光显微镜的检测路径。
2021-06-03 physics.comp-ph physics.ins-det physics.med-ph
Spatio-angular fluorescence microscopy III. Constrained angular diffusion, polarized excitation, and high-NA imaging
本文研究荧光分子在角度势阱中的旋转扩散与高数值孔径成像，提出角度结构照明可将高频角度分量混叠进系统通带，并揭示可测角度分量受旋转扩散时间、荧光衰减时间和采集时间三者关系限制。
2020-01-24 physics.optics q-bio.QM
Aberration sensing in fluorescence microscopy using quantum correlations
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）；Sorbonne Université, CNRS, Institut des NanoSciences de Paris, INSP（索邦大学，法国国家科学研究中心，巴黎纳米科学研究所）；Georg-August-Universität（哥廷根大学）
该研究利用荧光团的光子反聚束量子关联，通过SPAD阵列直接非侵入性测量PSF，实现快速宽场像差传感，为深组织自适应光学提供新途径。
2026-09-18 physics.optics
A deep learning-based noise correction method for light-field fluorescence microscopy
针对光场荧光显微成像低光强下低信噪比导致重建质量差的问题，提出整合两步噪声模型与能量权重矩阵的DNW-VCD网络，经双信噪比成像系统验证，可实现低伪影、各向同性分辨率的低光毒性实时三维成像。
2025-02-21 physics.optics
A Bayesian Approach towards Atomically-precise Localization in Fluorescence Microscopy
本文提出基于原子晶格周期性的离散网格成像技术（DIGIT），利用贝叶斯方法突破SMLM的光子资源限制，实现定位不确定性的指数级坍缩，并支持大规模量子发射体并行定位，为原子级光学分辨奠定基础。
2025-08-07 physics.optics
