2月18日出版的美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)旗下期刊Optics Express 同時(shí)刊登了中國(guó)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(guó)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L(zhǎng)arge-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(guò)億萬(wàn)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(dòng)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(duì)大樣品進(jìn)行三維成像時(shí)數(shù)據(jù)量大且耗時(shí)，高分辨率與大成像視場(chǎng)難以同時(shí)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(wèn)題，課題組在前期工作的基礎(chǔ)上，與中科院動(dòng)物研究所合作，通過(guò)對(duì)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(jí)，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(duì)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(shí)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(guò)散射介質(zhì)后對(duì)微粒的實(shí)時(shí)光學(xué)微操縱。2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(wú)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(shí)，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(gè)焦點(diǎn)。目前有多種方法來(lái)克服散射的影響，其中最常用的方法是利用光場(chǎng)調(diào)控器件和相應(yīng)的優(yōu)化算法對(duì)經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)后的光場(chǎng)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(shì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于散射介質(zhì)后的光場(chǎng)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(wèn)題，比如隨著優(yōu)化的進(jìn)行，其收斂速度逐漸變慢，噪聲對(duì)最終聚焦結(jié)果影響較大，優(yōu)化結(jié)果受探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍限制等。近年來(lái)，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(chǎng)對(duì)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(chǎng)質(zhì)量不高，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)在散射介質(zhì)后特定目標(biāo)點(diǎn)對(duì)微粒的捕獲，也無(wú)法在散射介質(zhì)后沿特定路徑對(duì)粒子進(jìn)行操控，靈活性以及應(yīng)用場(chǎng)合受到限制。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)散射介質(zhì)后單一粒子和多個(gè)粒子的同時(shí)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(duì)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(duì)探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍需求小的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了光經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(wú)透鏡的相干衍射成像技術(shù)，擁有大視場(chǎng)、高分辨和定量相位的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)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(wú)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(guò)程中依然存在一些限制，比如在針對(duì)三維厚樣品成像時(shí)，其厚度是未知的，傳統(tǒng)成像方法是盡可能減小對(duì)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(duì)于離散的有著非均勻空間分布的樣品則可能會(huì)出現(xiàn)偽影，額外的空白層也會(huì)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(shí)優(yōu)化層數(shù)與層距，并且適用于近場(chǎng)三維疊層成像術(shù)。相比于遠(yuǎn)場(chǎng)，它可以使用更少的圖像重構(gòu)相同大小的視場(chǎng)，而且對(duì)光源相干性以及探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍要求更低。通過(guò)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(shí)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)。