压电物镜定位台之显微镜图像处理
前言
数字共焦显微技术是一种新型的共焦显微技术,该技术以普通光学显微镜为基础,采集一系列生物细胞的序列切片图像,并在计算机上采用数学算法对切片图像进行去卷积处理,从而获取高分辨率的序列图像,通过三维重建,实现高分辨率的细胞三维显示。 在数字共焦显微技术中,为了获取精确的等间隔生物细胞序列切片图像,需通过驱动显微镜物镜与载物台之间数十纳米的相对步进微位移来进行采集。而采用压电陶瓷控制技术进行显微镜物镜驱动,可以高精度地实现显微镜物镜与载物台之间的相对步进微位移。为了发挥压电陶瓷物镜驱动器的高精度和高响应速度的特点,控制技术是控制系统的核心。
图1:Hubble望远镜与显微镜结构图及其成像图片
显微镜的发展历程
图2:显微镜发展的3个阶段
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萌芽阶段
近代显微镜被认为由荷兰眼睛制造商Zacharias Janssen父子所制造,16世纪末,Janssen父子将一些透镜放在镜筒中,发现可以比单个透镜更好地放大微小物体,尽管没有一台Janssen显微镜流传于世,荷兰王室用3个套管制作了一台Janssen显微镜,这个显微镜可以实现3X-9X的放大倍率[3]。
图3:Zacharias Janssen及其显微镜复刻品
图4:Robert Hooke及其手稿
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发展阶段
色差:光透过镜片,不同颜色的光会发生不规则的弯曲,就会导致色差,影响到成像质量。这个难题被18世纪30年代的Chester Moor Hall(1703.12.9-1771.3.17)解决了[6]。他发现,如果使用不同形状和不同光线弯曲特性的第二镜片他可以重新对齐颜色,无需牺牲第一镜片的放大倍率。
图5:色差示意图
球差:一个完美的镜片可以聚集所有的入射光线于光轴的某一点。对于一个有球面像差的实体镜片,光线进入镜片的距离越远于光轴,那么镜片可以把光线弯曲的越严重, 因此无法生成一个完美的焦点。1830年,利斯忒(Joseph Jackson Lister,England,1786.1.11-1869.10.24)用几个有特定间距的透镜组减小了球面像差,进一步改进了显微镜【7】。
图6:Joseph Jackson Lister和球差示意图
1872,Abbe将显微成像的理论总结为阿贝正弦条件(Abbe Sine Condition): hNsinU = h'N'sinU',这里h和h'是物体高度,U和U'是入射和出射的角度,N和N'是球形曲面像场介质的折射率,Abbe还总结出因衍射限制光学显微镜所能达到的极限分辨率,R=λ/(n﹒sin(α)),这里R是分辩率,α是孔径张角(angular aperture),λ是波长,n﹒sin(α)是数值孔径, n代表折射率。有了这些理论基础,但最初没有质量均匀的符合质量要求的玻璃来验证。
图7:Ernst Abbe和他的纪念碑上的分辨率极限理论
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成熟阶段
·荧光显微成像(Fluorescence microscopy)
图9:荧光显微镜原理示意图
·暗场显微成像(Dark-field microscopy)
图10:暗场显微成像原理示意图
·相衬显微成像(Phase-contrast microscopy)
图11:Zernike和相衬显微镜原理示意图
图12:明场成像和相衬成像下的细胞
·偏振显微成像(Polarizing microscopy)
图13:偏振显微成像原理示意图
图14:Shinya Inoué的研究工作图
·微分干涉相衬显微成像(DIC: Differential interference contrast microscopy)
图15:DIC工作原理图
图16:DIC(右)和相衬(左)的成像对比
后续
上文按照工作原理介绍了相对传统的一些光学显微镜,随着激光光源的发展,又涌现出其他的一些光学显微成像手段,比如共聚焦成像,双光子成像,超分辨成像,结构照明显微成像,4Pi成像,光活化显微成像等技术逐渐发展,鉴于篇幅原因,后续补充。
下列为纳动纳米研发生产的部分用于压电物镜定位类产品,点击进入相应界面。