大视场微球透镜超分辨显微成像技术的研究进展

光学显微镜是人类探索微观世界的重要工具,在生物学、医学、材料学、精密测量学等领域发挥重要作用。由于衍射极限的存在,发展更高质量、更高空间分辨率的超分辨光学显微成像技术成为当下研究的前沿热点。基于微球透镜的超分辨显微成像技术有着易于实现、简单直接和免标记的显著优点,发展潜力巨大。但是单个微球的视野有限,且难以进行精确定位。提高微球的可操控性,拓展超分辨显微成像视场的范围,已成为该技术突破发展的核心关键。文中在介绍微球超分辨的成像原理,分析影响成像质量主要因素的基础上,重点总结了国内外团队在拓展微球透镜超分辨显微成像视场方面的最新研究进展。根据微球的操控方式,将研究工作总结为机械接触控制、微球辅助增强层、非接触控制和微球物镜一体化四类进行介绍,探讨其技术特点,并对大视场成像、图像拼接等面向视场拓展的图像处理技术进行论述。最后,提出微球透镜超分辨显微成像技术亟待解决的关键问题、存在的难点与挑战,以及未来开展研究工作的突破点,展望了该技术的发展与应用拓展方向。     

超分辨显微技术在活细胞中的应用与发展

细胞是生命体的基本单位和功能单位,对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一,因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制,无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来,随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展,超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而,大多数超分辨显微方法或测量耗时长,或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤,在活细胞研究中受到极大限制,已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此,文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上,介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术,并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后,文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。     

基于光学显微视觉的精密定位测量综述（特邀）

精密定位测量旨在针对微动目标实现微纳米精度的定位与小尺度操纵,其作为一种重要的测量技术,在工业生产、半导体制造等高端装备领域得到广泛应用。与其他测量方法不同,光学显微视觉测量技术因具备交互性强、扩展性强的特征而广泛应用于精密测量中。对基于光学显微视觉的精密定位测量技术进行分析与综述。首先,介绍光学显微视觉系统的成像模型与工作原理。其次,根据是否基于标靶图案的特征,对显微定位测量算法进行分类;同时,根据标靶图案的周期特征进行进一步的分类与探究,讨论其在不同标靶图案下的性能指标。最后,总结光学显微视觉定位测量方法在不同领域的应用与前景。该综述旨在为研究人员提供关于光学显微视觉精密定位测量技术的发展状态与趋势,促进微纳尺度定位测量技术的发展。     

红外显微热成像系统研究及应用

红外显微热成像系统基于红外热成像、红外图像处理和光学显微技术,能够分析微小物体或局部细节的温度变化,具有无损检测、灵敏度高等优点。对红外显微热成像系统的研究背景进行了概括,介绍了它的基本原理和系统组成,总结了红外显微热成像系统的研究现状及其在微电子器件检测、医学诊断、科学实验研究等方面的应用进展,对其存在的问题进行了分析,并且展望了红外显微热成像系统的未来发展趋势。     

二维高通量光学显微成像技术研究进展

传统光学显微镜的视场与空间分辨率是相互制约的，如何突破这一限制，同时能兼得高分辨率和大视场的高通量成像，成为当前显微成像技术领域的主要研究方向之一。该科学问题的突破将有助于加速科学研究、提高生产制造能力、为医疗辅助诊断提供新工具。本文介绍比较了大孔径物镜制造与曲面探测技术、扫描拼接技术、傅里叶叠层显微成像技术、宽场结构光照明技术和无透镜片上显微成像技术在内的5种高通量显微成像技术。分析了高通量显微成像技术研究的当前现状、所面临的问题以及未来的发展趋势。分析指出，计算光学成像技术正逐渐成为目前高通量显微技术的主要手段，通过计算绕过或者突破光学系统的物理限制将开辟高通量显微成像新时代。     

基于深度学习的荧光显微性能提升（特邀）

荧光显微镜具有对样品损伤小、可特异性成像等优点,是生物医学研究的主流成像手段。随着人工智能技术的快速发展,深度学习在逆问题求解中取得了巨大成功,被广泛应用于诸多领域。近年来,深度学习在荧光显微成像中的应用掀起了一个研究热潮,为荧光显微技术发展提供了性能上的突破与新思路。基于此,首先介绍了深度学习的基本网络模型,然后对基于深度学习的荧光显微成像技术在荧光显微的空间分辨率、图像采集及重建速度、成像通量和成像质量提升方面的应用进行阐述。最后,对目前深度学习在荧光显微成像中的研究进行总结与展望。     

超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用（特邀）

观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗（Stimulated emission depletion, STED）显微成像、结构光照明显微成像（Structured illumination microscopy, SIM）、单分子定位显微成像（Single molecule localization microscopy, SMLM）技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。     

显微激光诱导电流技术研究进展

随着光电器件的研究步入微米/纳米尺度,显微激光诱导电流(LBIC)技术作为一种半导体器件的无损、快速、可成像的表征技术得到迅速发展。显微LBIC技术可表征局域光照激励下器件的光电转换性能,起初被用于检测器件中的不均匀性或缺陷。近年来,将显微LBIC技术与其他显微成像技术相关联,进行器件多物理参量的综合表征,为研究微纳尺度上的材料-结构-器件性能关系提供了有效手段。基于这一表征手段的进步,光伏器件中微观晶体结构与性能的关系研究、全新机理的低维光伏/探测器件研究、以及微纳结构的光伏/探测增强研究等均得到了蓬勃发展。文中综述了显微LBIC技术的研究进展,首先介绍显微LBIC的基本模型及分类,随后聚焦于LBIC与其他多种显微成像的关联表征技术,并探讨该类技术在光伏器件和光电探测器件研究方面的应用。最后展望了显微LBIC及其关联成像技术的未来发展方向。     

三维拉曼显微成像技术研究进展（特邀）

拉曼显微成像技术无需样本制备,具有无损、无创、对水溶液不敏感的优点,可在微米或纳米尺度下表征样本的生化组分及分布,成为生命科学领域重要的研究工具。随着对复杂生物样本研究的不断深入,拉曼显微成像也被期待能够实现对生物样本中的分子组成与分布的动态立体观测。首先,系统性地梳理近年来三维拉曼显微成像技术的研究进展,包括基于自发拉曼散射、相干拉曼散射、表面增强拉曼散射以及拉曼标签的不同三维成像方法的技术手段、改进策略与实验结果。然后,总结了不同成像技术在细胞生物学、发育生物学等方面的应用进展。最后展望了不同三维拉曼显微成像技术在生物医学光学显微成像技术应用中所面临的挑战和发展前景。     

并行共焦显微检测技术及其研究进展

共焦显微术是一种重要的微小物体成像技术,由于具有高精度、高分辨率及容易实现三维重构图像的优势而被广泛应用于微纳三维形貌测量。近年来,并行共焦显微检测技术引起各国专家的广泛关注,该技术将单点扫描变为多路同时并行探测,大大提高了三维检测速度。综述了并行共焦显微检测技术的基本原理,系统论述了近年来国内外在并行共焦显微检测技术方面的研究进展以及作者在这方面的研究。按照实现并行检测的方法对7种并行共焦显微检测技术进行了分类介绍,并指出了各种方法的优缺点。最后总结了目前存在的技术难题,分析了未来的发展趋势,为我国进一步开展此项研究提供技术参考。     

变电站综合自动控制系统设计与应用

文章首先分析了我国目前变电站自动控制系统的发展现状及存在的问题,在此基础上重点设计了基于工业以太网的综合自动控制系统,给出了系统的网络体系结构和具体实施实现方案,对于进一步提高变电站综合自动控制水平及实现无人值守化的发展均具有一定借鉴意义。     

基于无线通信的远程称重监控系统设计

为了实现对远端现场设备的自动监控,将自动称重控制技术和无线通信技术融合,给出了一种基于嵌入式平台和无线通信模块的设计方案。该方案采用C8051F060单片机和无线射频收发芯片CC1101为主要器件组成无线监控系统,该系统由信号采集模块、无线传输模块、上位机监控管理等三部分组成。通过无线通信的方式对远程称量设备进行监测和控制,为无线远程自动称量和管理提供了新的途径。     

基于GPIB技术的光插回损耗自动测试系统

针对传统光纤元件插回损耗测试方法效率低、易出错的缺点,基于GPIB技术开发了一种新型的光插回损耗自动测试系统.该系统通过GPIB总线实现计算机与多台测试仪器相互通信,利用VB编写测控软件实现光插回损耗的自动测试.所采集数据利用Access数据库统一管理.应用结果表明,该系统运行稳定,操作简便,具有一定的实用性和推广价值.     

Blastocyst Microinjection Automation

Blastocyst microinjections are routinely involved in the process of creating genetically modified mice for biomedical research, but their efficiency is highly dependent on the skills of the operators. As a consequence, much time and resources are required for training microinjection personnel. This situation has been aggravated by the rapid growth of genetic research, which has increased the demand for mutant animals. Therefore, increased productivity and efficiency in this area are highly desired. Here, we pursue these goals through the automation of a previously developed teleoperated blastocyst microinjection system. This included the design of a new system setup to facilitate automation, the definition of rules for automatic microinjections, the implementation of video processing algorithms to extract feedback information from microscope images, and the creation of control algorithms for process automation. Experimentation conducted with this new system and operator assistance during the cells delivery phase demonstrated a 75% microinjection success rate. In addition, implantation of the successfully injected blastocysts resulted in a 53% birth rate and a 20% yield of chimeras. These results proved that the developed system was capable of automatic blastocyst penetration and retraction, demonstrating the success of major steps toward full process automation.     

基于DDE技术的工业自动控制组态系统的设计分析

DDE作为动态数据交换,是Windows平台上的标准通信协议。利用DDE技术对工业自动控制组态系统进行设计,开发了基于DDE技术的工业自动控制组态系统,不仅可以利用DDE技术实现对数据采集的传递,同时也可以完成VB与系统操作界面之间的数据交互,有效扩展工业自动控制组态软件的功能。以下探讨基于DDE技术的工业自动控制组态系统的设计分析,并给出具体的实践方法。     

基于MSP430的RFID实验系统的设计

针对当前RFID技术的高速发展需要,面对RFID技术的研究及其现有的RFID的实验设备的需求,很多高校尚未配备射频实验室和射频实验系统,文中提出了基于MSP430系列单片机的射频识别系统的硬件设计方案,通过SPI接口实现系统单片机与自动识别部分的通信和对射频芯片的工作模式控制,设计了MSP430系统中电源模块、复位电路模块、晶振电路模块、JTAG接口模块、串口通讯模块、射频模块等模块的电路原理图,并介绍了各部分的功能.该系统可以进行功能演示、在线下载、仿真和调试,经实验证明原理正确可靠,可以广泛应用于教学、实验、科研和电子设计等领域.     

自动控制在污水处理中的应用分析

工业领域对水资源的需求量越来越大。工业的快速发展给污水处理工作也带来了巨大的挑战,因此越来越多的污水处理企业应用了自动控制技术。文中主要分析了污水处理的具体内容、自控系统的基本组成、自动控制在污水处理中的应用策略以及出现的各种问题,并根据这些问题提出了相应的完善措施,以期能够提升自动控制在污水处理中的整体应用效率。     

接近觉智能小车的设计开发

本文介绍了一种接近觉智能小车,该智能小车基于接近觉和STC89C52CR微处理器,采用模块化设计方案,结构简单,易于搭建平台和维修,测量精度高,可靠性好。该智能小车能够实现自动控制、被动控制、自动循迹、自动避障、测速、调速、速度显示、无线蓝牙通讯等功能,既能实现自动控制巡航,若用相关通信系统又可完成人工在线控制的功能。另外,对智能小车的超声波测距进行了温度补偿,有利于提高测距精度。接近觉智能小车的研制有助于研究以智能小车为模型的自动化驾驶技术,对智能车辆的研制与开发、现代化交通工具的智能化、多功能化发展提供了一个可行的参考方案。     

基于红外探测的人员工作状态自动监控与告警系统

主要针对需要人员不间断值守的场所开发出了一套用于监控人员工作状态的 告警系统。该系统采用基于红外探测技术的自动控制模块和串口控制模块,结合现代电子绘图制版 技术、Arduino单片机技术和计算机编程技术,并根据实际的应用需求研发而成。 与其他监控系统相比,本文系统不仅结构简单、造价低廉,而且还具有监控、提醒、告警和后台记录 等多项功能,因此是一套实用性很强的系统。     

一种新型干涉型光纤传感器模拟运算锁相系统的设计与实验

采用锁相系统抑制外界扰动对传感系统的影响,对干涉型光纤传感器锁相系统的设计方案从自动控制理论出发进行了理论分析.理论分析表明,锁相系统应包括两个积分环节以达到最好的锁相效果.实验结果显示,理论与实验结果吻合,该锁相系统可以成功地抑制外界扰动,一阶锁相系统输出的方差为31 mV,二阶系统输出的方差为3.5 mV,系统稳定性提高了1个数量级.