西安光機所光學成像研究取得進展

西安光機所光學成像研究取得進展

2019-02-21 西安光學精密機械研究所

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　　2月18日出版的美國光學學會旗下期刊Optics Express 同時刊登了中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗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，研究人員實現了大尺寸昆蟲自然色三維高解析度定量成像。經過億萬年的進化，生物結構非常複雜與精巧，並承載了多樣的功能和迷人的景象。生物結構在不同尺度、不同維度和不同部位的觀察與形態分析，為科學研究結果提供最直接的證據，在眾多學科領域扮演著不可或缺的角色。目前高解析度三維成像技術已經在生物學領域有了廣泛的應用，並推動著生物學研究不斷取得新的進展。但是已有的技術與研究工具還存在一些不足，比如對大樣品進行三維成像時數據量大且耗時，高解析度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，尋找一種能夠對昆蟲進行快速三維成像，並獲得其高分辨形貌信息和色彩信息的設備，就成了昆蟲分類學家和相關研究領域的迫切需要。

　　為了解決這些問題，課題組在前期工作的基礎上，與中科院動物研究所合作，通過對彩色結構照明光學成像系統和相關算法進行改造升級，克服了已有三維成像方法的缺陷，大大提升了系統的光能利用率和照明均勻性，使得成像系統在高解析度、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，同時為昆蟲結構色的研究提供了新的技術手段，在進化生物學、仿生學、分類學、功能形態學、古生物學和工程學等領域具有廣泛的應用前景。

　　在第二篇題為Real-time optical manipulation of particles through turbid media 的文章中，研究人員主要實現了透過散射介質後對微粒的實時光學微操縱。2018年諾貝爾物理學獎的一半授予了光鑷的發明人Arthur Ashkin，在那裡雷射捕獲和操縱微粒是在透明和無散射介質中進行的。而當光學系統中有散射介質存在時，成像目標難以在像面清晰呈現，雷射也難以聚焦成為一個焦點。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控器件和相應的優化算法對經過散射介質後的光場進行調控。遺傳算法具有收斂速度快、抗噪聲能力強的優勢已經被廣泛應用於散射介質後的光場聚焦和成像，然而遺傳算法在實際應用中依然存在一些問題，比如隨著優化的進行，其收斂速度逐漸變慢，噪聲對最終聚焦結果影響較大，優化結果受探測器動態範圍限制等。近年來，隨著相關技術的成熟，已有研究者將波前矯正技術和光學捕獲結合，實現利用散射光場對微粒的捕獲，但是此類技術在散射介質後產生的聚焦光場質量不高，而且無法實現在散射介質後特定目標點對微粒的捕獲，也無法在散射介質後沿特定路徑對粒子進行操控，靈活性以及應用場合受到限制。

　　為了實現對經過散射介質後光束的高質量聚焦並將其應用於實際，該文提出了一種相間分區域波前校正方法，實現了入射光經過散射介質後單點和多點的重新聚焦。將該方法和光鑷技術結合，可以對散射介質後單一粒子和多個粒子的同時捕獲，並且可以實現在散射介質後某一平面內沿特定軌跡對微粒的操縱。與傳統遺傳算法相比，該方法具有收斂速度快、聚焦強度高、對探測器動態範圍需求小的優點，大大提高了光經過散射介質後的聚焦效果，不僅可以應用於光學微操縱，而且可以應用於其它相關領域，為散射介質後的物體成像、深層樣品螢光顯微成像以及散射介質後的光場調控提供了有效手段。

　　在第三篇題為Three-dimensional space optimization for near-field ptychography 的文章中，研究人員實現了近場疊層成像術的三維空間優化。疊層成像術（Ptychography）是一種無透鏡的相干衍射成像技術，擁有大視場、高分辨和定量相位的優勢。通過記錄多幅交疊的衍射圖像，利用交疊區域的數據冗餘和先進的相位恢復算法，能恢復出物體的透射率函數分布、分解相干態以及校準系統誤差。這一無透鏡的成像方法已經成功應用於可見光、電子波段和X射線波段。然而，疊層成像術在實際應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，傳統成像方法是儘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，而且該方法只適用於連續樣品，對於離散的有著非均勻空間分布的樣品則可能會出現偽影，額外的空白層也會降低圖像質量。

　　該文提出一種基於遺傳算法的三維疊層成像算法（GA-3ePIE），可同時優化層數與層距，並且適用於近場三維疊層成像術。相比於遠場，它可以使用更少的圖像重構相同大小的視場，而且對光源相干性以及探測器動態範圍要求更低。通過分析發現，隨著交疊率和採樣率的提升，可恢復層數變多。該算法也能被推廣到X射線及電子波段領域，同時也可以用於其它計算成像技術，如傅裡葉疊層顯微成像術。

　　姚保利團隊多年來一直致力於新型光學成像及光學微操縱新方法、新技術和新儀器的研究和開發，已在PRL、PRA、OL、OE 等國際期刊上發表200多篇研究論文，授權多項國家發明專利。2013年在國際上首次提出並實現了基於數字微鏡器件（DMD）和LED照明的結構光照明顯微成像技術，解析度達到90nm，該成像設備已成功應用於多項生命科學研究之中。研究團隊先後為國內外多所大學研製了多套雷射光鑷微操縱儀，設備性能穩定可靠，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)中紅色方框內區域進行成像的最大值投影結果。(c) 圖(b)的三維形貌信息。(d) 圖(c)中藍色曲線所經過的複眼的三維輪廓曲線。(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) 中紅色方框內區域進行成像的最大值投影結果。(g) 圖(f)的三維形貌信息。(h) 圖(g)中藍色曲線所經過的複眼的三維輪廓曲線。

 

　　圖2. 雷射透過散射介質後對微粒的捕獲和操縱實驗結果。(a)-(e)散射介質後操縱微粒沿矩形軌跡運動；(f)-(j)散射介質後操縱微粒沿圓形軌跡運動（標尺：10μm）

 

　　圖3. 不同參數下USAF解析度板的強度恢復結果。（a）單層重構結果。（b1-b2）和（c1-c2）不同層距下兩層重構結果。（d1-d3）三層重構結果，包含一層空白層。（e1-e2）和（f1-f2）使用GA-3ePIE算法下的重構結果及放大圖。（g）一張典型的衍射圖。

　　2月18日出版的美國光學學會旗下期刊Optics Express 同時刊登了中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗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，研究人員實現了大尺寸昆蟲自然色三維高解析度定量成像。經過億萬年的進化，生物結構非常複雜與精巧，並承載了多樣的功能和迷人的景象。生物結構在不同尺度、不同維度和不同部位的觀察與形態分析，為科學研究結果提供最直接的證據，在眾多學科領域扮演著不可或缺的角色。目前高解析度三維成像技術已經在生物學領域有了廣泛的應用，並推動著生物學研究不斷取得新的進展。但是已有的技術與研究工具還存在一些不足，比如對大樣品進行三維成像時數據量大且耗時，高解析度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，尋找一種能夠對昆蟲進行快速三維成像，並獲得其高分辨形貌信息和色彩信息的設備，就成了昆蟲分類學家和相關研究領域的迫切需要。
　　為了解決這些問題，課題組在前期工作的基礎上，與中科院動物研究所合作，通過對彩色結構照明光學成像系統和相關算法進行改造升級，克服了已有三維成像方法的缺陷，大大提升了系統的光能利用率和照明均勻性，使得成像系統在高解析度、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，同時為昆蟲結構色的研究提供了新的技術手段，在進化生物學、仿生學、分類學、功能形態學、古生物學和工程學等領域具有廣泛的應用前景。
　　在第二篇題為Real-time optical manipulation of particles through turbid media 的文章中，研究人員主要實現了透過散射介質後對微粒的實時光學微操縱。2018年諾貝爾物理學獎的一半授予了光鑷的發明人Arthur Ashkin，在那裡雷射捕獲和操縱微粒是在透明和無散射介質中進行的。而當光學系統中有散射介質存在時，成像目標難以在像面清晰呈現，雷射也難以聚焦成為一個焦點。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控器件和相應的優化算法對經過散射介質後的光場進行調控。遺傳算法具有收斂速度快、抗噪聲能力強的優勢已經被廣泛應用於散射介質後的光場聚焦和成像，然而遺傳算法在實際應用中依然存在一些問題，比如隨著優化的進行，其收斂速度逐漸變慢，噪聲對最終聚焦結果影響較大，優化結果受探測器動態範圍限制等。近年來，隨著相關技術的成熟，已有研究者將波前矯正技術和光學捕獲結合，實現利用散射光場對微粒的捕獲，但是此類技術在散射介質後產生的聚焦光場質量不高，而且無法實現在散射介質後特定目標點對微粒的捕獲，也無法在散射介質後沿特定路徑對粒子進行操控，靈活性以及應用場合受到限制。
　　為了實現對經過散射介質後光束的高質量聚焦並將其應用於實際，該文提出了一種相間分區域波前校正方法，實現了入射光經過散射介質後單點和多點的重新聚焦。將該方法和光鑷技術結合，可以對散射介質後單一粒子和多個粒子的同時捕獲，並且可以實現在散射介質後某一平面內沿特定軌跡對微粒的操縱。與傳統遺傳算法相比，該方法具有收斂速度快、聚焦強度高、對探測器動態範圍需求小的優點，大大提高了光經過散射介質後的聚焦效果，不僅可以應用於光學微操縱，而且可以應用於其它相關領域，為散射介質後的物體成像、深層樣品螢光顯微成像以及散射介質後的光場調控提供了有效手段。
　　在第三篇題為Three-dimensional space optimization for near-field ptychography 的文章中，研究人員實現了近場疊層成像術的三維空間優化。疊層成像術（Ptychography）是一種無透鏡的相干衍射成像技術，擁有大視場、高分辨和定量相位的優勢。通過記錄多幅交疊的衍射圖像，利用交疊區域的數據冗餘和先進的相位恢復算法，能恢復出物體的透射率函數分布、分解相干態以及校準系統誤差。這一無透鏡的成像方法已經成功應用於可見光、電子波段和X射線波段。然而，疊層成像術在實際應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，傳統成像方法是儘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，而且該方法只適用於連續樣品，對於離散的有著非均勻空間分布的樣品則可能會出現偽影，額外的空白層也會降低圖像質量。
　　該文提出一種基於遺傳算法的三維疊層成像算法（GA-3ePIE），可同時優化層數與層距，並且適用於近場三維疊層成像術。相比於遠場，它可以使用更少的圖像重構相同大小的視場，而且對光源相干性以及探測器動態範圍要求更低。通過分析發現，隨著交疊率和採樣率的提升，可恢復層數變多。該算法也能被推廣到X射線及電子波段領域，同時也可以用於其它計算成像技術，如傅立葉疊層顯微成像術。
　　姚保利團隊多年來一直致力於新型光學成像及光學微操縱新方法、新技術和新儀器的研究和開發，已在PRL、PRA、OL、OE 等國際期刊上發表200多篇研究論文，授權多項國家發明專利。2013年在國際上首次提出並實現了基於數字微鏡器件（DMD）和LED照明的結構光照明顯微成像技術，解析度達到90nm，該成像設備已成功應用於多項生命科學研究之中。研究團隊先後為國內外多所大學研製了多套雷射光鑷微操縱儀，設備性能穩定可靠，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)中紅色方框內區域進行成像的最大值投影結果。(c) 圖(b)的三維形貌信息。(d) 圖(c)中藍色曲線所經過的複眼的三維輪廓曲線。(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) 中紅色方框內區域進行成像的最大值投影結果。(g) 圖(f)的三維形貌信息。(h) 圖(g)中藍色曲線所經過的複眼的三維輪廓曲線。
 
　　圖2. 雷射透過散射介質後對微粒的捕獲和操縱實驗結果。(a)-(e)散射介質後操縱微粒沿矩形軌跡運動；(f)-(j)散射介質後操縱微粒沿圓形軌跡運動（標尺：10μm）
 
　　圖3. 不同參數下USAF解析度板的強度恢復結果。（a）單層重構結果。（b1-b2）和（c1-c2）不同層距下兩層重構結果。（d1-d3）三層重構結果，包含一層空白層。（e1-e2）和（f1-f2）使用GA-3ePIE算法下的重構結果及放大圖。（g）一張典型的衍射圖。

列印 責任編輯：葉瑞優