2月18日出版的美國光學(xué)學(xué)會旗下期刊Optics Express 同時刊登了中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利研究組的三篇研究論文。
在第一篇題為Large-scale 3D imaging of insects with natural color 的文章中，研究人員實(shí)現(xiàn)了大尺寸昆蟲自然色三維高分辨率定量成像。經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，生物結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜與精巧，并承載了多樣的功能和迷人的景象。生物結(jié)構(gòu)在不同尺度、不同維度和不同部位的觀察與形態(tài)分析，為科學(xué)研究結(jié)果提供最直接的證據(jù)，在眾多學(xué)科領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色。目前高分辨率三維成像技術(shù)已經(jīng)在生物學(xué)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，并推動著生物學(xué)研究不斷取得新的進(jìn)展。但是已有的技術(shù)與研究工具還存在一些不足，比如對大樣品進(jìn)行三維成像時數(shù)據(jù)量大且耗時，高分辨率與大成像視場難以同時滿足，樣品自然色彩難以獲取等。因此，尋找一種能夠?qū)ハx進(jìn)行快速三維成像，并獲得其高分辨形貌信息和色彩信息的設(shè)備，就成了昆蟲分類學(xué)家和相關(guān)研究領(lǐng)域的迫切需要。
為了解決這些問題，課題組在前期工作的基礎(chǔ)上，與中科院動物研究所合作，通過對彩色結(jié)構(gòu)照明光學(xué)成像系統(tǒng)和相關(guān)算法進(jìn)行改造升級，克服了已有三維成像方法的缺陷，大大提升了系統(tǒng)的光能利用率和照明均勻性，使得成像系統(tǒng)在高分辨率、大尺寸、三維、快速、全彩色和定量分析等六大成像要素上均得到有效提升。該研究對大尺寸昆蟲的高分辨三維定量分析具有重要的參考意義，同時為昆蟲結(jié)構(gòu)色的研究提供了新的技術(shù)手段，在進(jìn)化生物學(xué)、仿生學(xué)、分類學(xué)、功能形態(tài)學(xué)、古生物學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
在第二篇題為Real-time optical manipulation of particles through turbid media 的文章中，研究人員主要實(shí)現(xiàn)了透過散射介質(zhì)后對微粒的實(shí)時光學(xué)微操縱。2018年諾貝爾物理學(xué)獎的一半授予了光鑷的發(fā)明人Arthur Ashkin，在那里激光捕獲和操縱微粒是在透明和無散射介質(zhì)中進(jìn)行的。而當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)中有散射介質(zhì)存在時，成像目標(biāo)難以在像面清晰呈現(xiàn)，激光也難以聚焦成為一個焦點(diǎn)。目前有多種方法來克服散射的影響，其中最常用的方法是利用光場調(diào)控器件和相應(yīng)的優(yōu)化算法對經(jīng)過散射介質(zhì)后的光場進(jìn)行調(diào)控。遺傳算法具有收斂速度快、抗噪聲能力強(qiáng)的優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于散射介質(zhì)后的光場聚焦和成像，然而遺傳算法在實(shí)際應(yīng)用中依然存在一些問題，比如隨著優(yōu)化的進(jìn)行，其收斂速度逐漸變慢，噪聲對最終聚焦結(jié)果影響較大，優(yōu)化結(jié)果受探測器動態(tài)范圍限制等。近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，已有研究者將波前矯正技術(shù)和光學(xué)捕獲結(jié)合，實(shí)現(xiàn)利用散射光場對微粒的捕獲，但是此類技術(shù)在散射介質(zhì)后產(chǎn)生的聚焦光場質(zhì)量不高，而且無法實(shí)現(xiàn)在散射介質(zhì)后特定目標(biāo)點(diǎn)對微粒的捕獲，也無法在散射介質(zhì)后沿特定路徑對粒子進(jìn)行操控，靈活性以及應(yīng)用場合受到限制。
為了實(shí)現(xiàn)對經(jīng)過散射介質(zhì)后光束的高質(zhì)量聚焦并將其應(yīng)用于實(shí)際，該文提出了一種相間分區(qū)域波前校正方法，實(shí)現(xiàn)了入射光經(jīng)過散射介質(zhì)后單點(diǎn)和多點(diǎn)的重新聚焦。將該方法和光鑷技術(shù)結(jié)合，可以對散射介質(zhì)后單一粒子和多個粒子的同時捕獲，并且可以實(shí)現(xiàn)在散射介質(zhì)后某一平面內(nèi)沿特定軌跡對微粒的操縱。與傳統(tǒng)遺傳算法相比，該方法具有收斂速度快、聚焦強(qiáng)度高、對探測器動態(tài)范圍需求小的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了光經(jīng)過散射介質(zhì)后的聚焦效果，不僅可以應(yīng)用于光學(xué)微操縱，而且可以應(yīng)用于其它相關(guān)領(lǐng)域，為散射介質(zhì)后的物體成像、深層樣品熒光顯微成像以及散射介質(zhì)后的光場調(diào)控提供了有效手段。
在第三篇題為Three-dimensional space optimization for near-field ptychography 的文章中，研究人員實(shí)現(xiàn)了近場疊層成像術(shù)的三維空間優(yōu)化。疊層成像術(shù)（Ptychography）是一種無透鏡的相干衍射成像技術(shù)，擁有大視場、高分辨和定量相位的優(yōu)勢。通過記錄多幅交疊的衍射圖像，利用交疊區(qū)域的數(shù)據(jù)冗余和先進(jìn)的相位恢復(fù)算法，能恢復(fù)出物體的透射率函數(shù)分布、分解相干態(tài)以及校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差。這一無透鏡的成像方法已經(jīng)成功應(yīng)用于可見光、電子波段和X射線波段。然而，疊層成像術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中依然存在一些限制，比如在針對三維厚樣品成像時，其厚度是未知的，傳統(tǒng)成像方法是盡可能減小對樣品每一層的成像厚度，這就增加了成像的層數(shù)，而且該方法只適用于連續(xù)樣品，對于離散的有著非均勻空間分布的樣品則可能會出現(xiàn)偽影，額外的空白層也會降低圖像質(zhì)量。
該文提出一種基于遺傳算法的三維疊層成像算法（GA-3ePIE），可同時優(yōu)化層數(shù)與層距，并且適用于近場三維疊層成像術(shù)。相比于遠(yuǎn)場，它可以使用更少的圖像重構(gòu)相同大小的視場，而且對光源相干性以及探測器動態(tài)范圍要求更低。通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著交疊率和采樣率的提升，可恢復(fù)層數(shù)變多。該算法也能被推廣到X射線及電子波段領(lǐng)域，同時也可以用于其它計(jì)算成像技術(shù)，如傅里葉疊層顯微成像術(shù)。
姚保利團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于新型光學(xué)成像及光學(xué)微操縱新方法、新技術(shù)和新儀器的研究和開發(fā)，已在PRL、PRA、OL、OE 等國際期刊上發(fā)表200多篇研究論文，授權(quán)多項(xiàng)國家發(fā)明專利。2013年在國際上首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字微鏡器件（DMD）和LED照明的結(jié)構(gòu)光照明顯微成像技術(shù)，分辨率達(dá)到90nm，該成像設(shè)備已成功應(yīng)用于多項(xiàng)生命科學(xué)研究之中。研究團(tuán)隊(duì)先后為國內(nèi)外多所大學(xué)研制了多套激光光鑷微操縱儀，設(shè)備性能穩(wěn)定可靠，獲得用戶的普遍好評。
圖1. 兩種中華虎甲的三維成像結(jié)果。(a) 虎甲1的最大值投影圖（4X, NA0.2），其三維成像體積約為18.7 x 9.4 x 7.0 mm3。(b) 利用20X, NA0.45物鏡對圖(a)中紅色方框內(nèi)區(qū)域進(jìn)行成像的最大值投影結(jié)果。(c) 圖(b)的三維形貌信息。(d) 圖(c)中藍(lán)色曲線所經(jīng)過的復(fù)眼的三維輪廓曲線。(e) 虎甲2的最大值投影（4X, NA0.2），其三維成像體積約為19.5 x 8.3 x 6.6 mm3。(f) 利用20X, NA0.45物鏡對圖(e) 中紅色方框內(nèi)區(qū)域進(jìn)行成像的最大值投影結(jié)果。(g) 圖(f)的三維形貌信息。(h) 圖(g)中藍(lán)色曲線所經(jīng)過的復(fù)眼的三維輪廓曲線。
圖2. 激光透過散射介質(zhì)后對微粒的捕獲和操縱實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)-(e)散射介質(zhì)后操縱微粒沿矩形軌跡運(yùn)動；(f)-(j)散射介質(zhì)后操縱微粒沿圓形軌跡運(yùn)動（標(biāo)尺：10μm）
圖3. 不同參數(shù)下USAF分辨率板的強(qiáng)度恢復(fù)結(jié)果。（a）單層重構(gòu)結(jié)果。（b1-b2）和（c1-c2）不同層距下兩層重構(gòu)結(jié)果。（d1-d3）三層重構(gòu)結(jié)果，包含一層空白層。（e1-e2）和（f1-f2）使用GA-3ePIE算法下的重構(gòu)結(jié)果及放大圖。（g）一張典型的衍射圖。
