文章编号:
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共焦扫描荧光显微镜的信噪比与信息量
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高万荣 杨晓春 黄 琳 胡茂海 袁祥岩 陶纯堪 卞松玲
(南京理工大学电光学院,南京
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摘要: 在研制用于对厚的生物样品进行光学断层成像的共焦扫描荧光显微镜时,由于成像信号十分微弱及存在
很强的多次散射作用,因此杂散光的抑制非常重要,而信噪比、信号背景比就成为决定能否获得高对比度、高分率
图像的关键。运用光学信息量的概念,在已有的光学成像系统信息量计算、共焦扫描荧光显微镜信噪比及传递函
数计算的基础上,详细分析了共焦扫描荧光显微镜信息量与信噪比等之间的定量关系。该关系表明,为了充分利
用共焦扫描荧光显微镜的成像性能,必须选择适当的探测小孔。所得的结果对于共焦扫描荧光显微成像系统的研
制有重要的实用价值。
关键词: 共焦荧光显微镜;信噪比;信息量
中图分类号:
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文献标识码:
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南京理工大学青年基金资助课题。
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收稿日期:
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;收到修改稿日期:
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引 言
共焦扫描荧光显微成像技术是近
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年来在显
微成像领域所提出来的一种最重要的成像技术,它
是一种将聚焦照明与空间滤波探测结合起来,因而
探测衍射限制焦面体积之中的信号
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,而抑制掉该
焦面体积元外产生的背景
"
。这种独特的高选择性
探测技术,减少了影像模糊,增加了有效分辨率,因
而可以对厚的散射样品成十分清晰的图像。除了减
少影响像模糊和改进分辨率之外,对焦面外背景光
的抑制,还增加了图像的对比度和信息量
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,因为
这种技术有效地提高了图像的信噪比(
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)。由于
具有这样一些独特的成像特性,特别是其在生物医
学临床诊断等方面的巨大应用前景,因此人们采用
不同的方法从不同的侧面对这种成像技术进行了研
究,包括传递函数的计算
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、电磁场方法
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]
、蒙特
卡罗模拟分析
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]
、共焦显微术与外差显微术的比较
研究
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、共焦显微术轴向分辨率的精确计算
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]
、信
噪比分析
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,
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]
、对比度分析
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]
等。
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等
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]
则用光
学系统传递的信息量的概念分析了共焦扫描显微镜
的成像特性
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]
。所有这些分析从不同的方面揭示
了共焦显微术独特的成像特性。然而,还没有人采
用光学系统信息量与信噪比相结合的方法分析共焦
显微术,特别是共焦荧光显微术由于其高的信噪比,
因而对于同一样品,可以比普通显微成像系统传输
更多的信息量。这对于生物组织的显微成像具有重
要的实用价值。因为生物组织的荧光信号十分微
弱,为了获得高对比度高分辨率的图像,背景光及杂
散光的抑制就成为一个关键问题。
本文主要讨论光学成像系统信息量的基本理
论,分析共焦荧光显微术的信噪比,计算其信息量,
并将计算结果与普通显微成像系统的信息量进行比
较。最后给出用我们研制的一台共焦荧光显微镜采
集的一些生物样品的共焦荧光显微断层图像。
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基本理论
.BBC
第一个阐述了在相干照明条件下,由于衍
射现象所决定的光学系统分辨率的极限。该经典分
辨率极限的现代的而且更准确的表述形式为:光学
系统传输一个有限的空间频率带宽,该带宽由系统
的角孔径和照明光的波长所决定。
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]
则证
明,对于一个给定的光学系统,并不是其所传输的空
间频率带宽是不变的,仅仅是光学系统所传输的光
学信息的自由度数
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是不变的。光学信息的自由
度数
#
等于视场大小与光学系统的带宽之积,乘以
由于存在两个独立的偏振态而引入的因子
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,再乘
以系统的时间自由度数,即
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空间自由度为
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式中
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、
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分别为图像在
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与
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方向上的宽度,
第
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卷 第
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年
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月
光 学 学 报
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