Abstract

In this Letter, we present an analysis of the effects of polarization state on the pattern contrast in a structured illumination microscope. Using vectorial ray tracing methods, we show that the contrast varies nonmonotonically with both the numerical aperture of the microscope objective lens and the orientation of the electric field with respect to the meridional plane. By careful selection of these two parameters, high pattern contrast can be obtained without polarization rotation, reducing the cost and complexity of structured illumination imaging systems and increasing light throughput and imaging speed. We present experimental results that show good agreement with theoretical predictions and discuss the implications for super-resolution imaging.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
    [CrossRef]
  2. P. Kner, B. B. Chhun, E. R. Griffis, L. Winoto, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 6, 339-U336 (2009).
    [CrossRef]
  3. M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
    [CrossRef]
  4. E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
    [CrossRef]
  5. B.-J. Chang, L.-J. Chou, Y.-C. Chang, and S.-Y. Chiang, Opt. Express 17, 14710 (2009).
    [CrossRef]
  6. M. R. Foreman and P. Torok, J. Mod. Opt. 58, 339 (2011).
    [CrossRef]

2012

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

2011

M. R. Foreman and P. Torok, J. Mod. Opt. 58, 339 (2011).
[CrossRef]

2009

B.-J. Chang, L.-J. Chou, Y.-C. Chang, and S.-Y. Chiang, Opt. Express 17, 14710 (2009).
[CrossRef]

P. Kner, B. B. Chhun, E. R. Griffis, L. Winoto, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 6, 339-U336 (2009).
[CrossRef]

2008

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

2000

M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
[CrossRef]

Agard, D. A.

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

Cande, W. Z.

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

Carlton, P. M.

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

Chang, B.-J.

Chang, Y.-C.

Chhun, B. B.

P. Kner, B. B. Chhun, E. R. Griffis, L. Winoto, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 6, 339-U336 (2009).
[CrossRef]

Chiang, S.-Y.

Chou, L.-J.

Davidson, M. W.

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

Foreman, M. R.

M. R. Foreman and P. Torok, J. Mod. Opt. 58, 339 (2011).
[CrossRef]

Golubovskaya, I. N.

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

Griffis, E. R.

P. Kner, B. B. Chhun, E. R. Griffis, L. Winoto, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 6, 339-U336 (2009).
[CrossRef]

Gustafsson, M. G. L.

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

P. Kner, B. B. Chhun, E. R. Griffis, L. Winoto, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 6, 339-U336 (2009).
[CrossRef]

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
[CrossRef]

Johansson, G. A.

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

Kamps-Hughes, N.

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

Kner, P.

P. Kner, B. B. Chhun, E. R. Griffis, L. Winoto, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 6, 339-U336 (2009).
[CrossRef]

Macklin, J. J.

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

Rego, E. H.

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

Sedat, J. W.

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

Shao, L.

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

Torok, P.

M. R. Foreman and P. Torok, J. Mod. Opt. 58, 339 (2011).
[CrossRef]

Wang, C. J. R.

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

Winoto, L.

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

P. Kner, B. B. Chhun, E. R. Griffis, L. Winoto, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 6, 339-U336 (2009).
[CrossRef]

Biophys. J.

M. G. L. Gustafsson, L. Shao, P. M. Carlton, C. J. R. Wang, I. N. Golubovskaya, W. Z. Cande, D. A. Agard, and J. W. Sedat, Biophys. J. 94, 4957 (2008).
[CrossRef]

J. Microsc.

M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
[CrossRef]

J. Mod. Opt.

M. R. Foreman and P. Torok, J. Mod. Opt. 58, 339 (2011).
[CrossRef]

Nat. Methods

P. Kner, B. B. Chhun, E. R. Griffis, L. Winoto, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 6, 339-U336 (2009).
[CrossRef]

Opt. Express

Proc. Natl. Acad. Sci. USA

E. H. Rego, L. Shao, J. J. Macklin, L. Winoto, G. A. Johansson, N. Kamps-Hughes, M. W. Davidson, and M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, E135(2012).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

Geometry of fringe formation in a 2D SIM.

Fig. 2.
Fig. 2.

Fringe contrast as a function of the angle α between two interfering beams and the linear polarization orientation, ϕ, with respect to the meridional plane.

Fig. 3.
Fig. 3.

Measured (filled circles) and theoretical (solid lines) contrast variation with polarization orientation. (a)–(c) show results for interference angles, α, of 37.1°, 53.3°, and 66.3° as ϕ varies from (π/2) to π/2 radians. Data are normalized so that contrast is 1 for s polarization.

Fig. 4.
Fig. 4.

Diffraction limited (left) and fixed polarization SIM images (right) of Muntjac skin fibroblast cells labeled with Alexa Fluor 488 phalloidin (actin). Inset: line profile comparing images; circles show diffraction limited results, squares show SIM results.

Equations (6)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

R=(cosψsinψ0sinψcosψ0001),
L=(cosΔθ0sinΔθ010sinΔθ0cosΔθ).
E=α(Δθ)R1(ψ)L(Δθ)R(ψ)E0,
C=|Ex|2+|Ey|2|Ez|2|Ex|2.
C(α,ϕ)=|cosαcos2ϕ+sin2ϕ|2+|sin2(α/2)sin2ϕ|2|cosϕsinα|2.
|C|=2Ni=1N(xi0xi1)2+(xi1xi2)2+(xi2xi0)2i=1Nxi0+xi1+xi2.

Metrics