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中科院西安光機所前沿光學研究取得新突破

“新工具”有望實現無輻射透視檢查

發表日期:2019-03-04來源:西安日報放大 縮小
“新工具”下,兩種中華虎甲的復眼三維成像結果。
    ■記者 張瀟 實習生 陳立穎

  “同一期權威雜志上同時刊登了我們的三篇研究論文,說明在該光學領域,我們的研究得到了國際同行的認可,走在了國際前列。”3月3日,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主任姚保利研究員自豪地說。

  這三篇論文的題目,分別是:“大尺寸昆蟲三維彩色成像”、“透過散射介質的微粒實時光學微操縱”和“疊層成像術的三維空間優化”,都發表在2月18日出版的美國光學學會旗下權威期刊《Optics Express》上,研究成果都來自姚保利研究組。

  探索微觀世界的新工具

  億萬年的進化,使得生物結構變得非常復雜、精巧,承載了多樣的功能和迷人的景象。在不同尺度、不同維度和不同部位,對于生物結構的觀察與形態分析,為科學研究提供了最直接的證據,在眾多學科領域扮演著不可或缺的角色。目前,高分辨率三維成像技術已經在生物學領域有了廣泛的應用,并推動著生物學研究不斷取得新的進展。但目前已有的技術仍存在許多不足,如對大樣品進行三維成像時數據量大且耗時,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。

  為什么微觀物體自然色彩難以獲取?姚保利解釋道:“雖然我們日常普通的相機也可以拍攝出彩色照片,但是到了微觀領域,由于昆蟲內部結構極其精細,無法采用自然光線照明,必須使用高亮度的激光或單色光,通常只能得到二維單色圖片。”因此,尋找一種能夠對昆蟲進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。

  為了解決上述問題,團隊在前期工作的基礎上,與中科院動物研究所合作,通過對光學成像系統和相關算法進行優化升級,使得系統實現了高分辨率、大尺寸、三維、快速、全彩色和定量分析等六大成像要素的有效提升。姚保利坦言:“我們研發的顯微成像系統,是一種特殊設計的顯微鏡,可實現快速三維成像。昆蟲大小不一,從肉眼不可分辨的昆蟲到較大的如甲殼蟲,從亞毫米量級到厘米量級大小差異較大,一般顯微鏡都是應用于毫米級及以下的物品,但我們成像系統可以應用于厘米級昆蟲拍攝,能夠清晰展示其三維結構,實現高分辨率、彩色快速成像。”該研究是以往技術突破的集大成,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,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。

  有望實現無輻射透視檢查

  霧、毛玻璃等不透明的或渾濁的介質,都稱之為散射介質。光在這些介質中傳播時,由于散射的存在,使得光的傳播特性發生了變化,無法實現物體在像面清晰成像,比如大霧天氣下能見度降低,隔著毛玻璃很難看清玻璃后面的物體。因此,如何克服散射的影響,實現物體經過散射介質后成像便成為光學成像領域的一大難題。皮膚和組織也是一種散射介質,目前在醫學領域若想透過皮膚和組織進行身體檢查,只能通過CT、X射線、B超等方式,但這些方式也存在一些弊端,比如對人體有輻射傷害、精度較低、造價高。

  姚保利課題組在第二篇論文中,介紹了透過散射介質后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Ashkin。姚保利介紹,“形象地講,光鑷可以看成是一種夾取細胞與微粒的鑷子。”但是在諾貝爾物理學獎得主的研究中,激光捕獲和操縱微粒是在透明和無散射介質中進行的。而當有散射介質存在時,成像目標難以清晰呈現,激光也難以聚焦成為一個焦點。團隊通過純光學辦法實現了激光透過散射介質后的聚焦并利用聚焦點對散射介質后的微觀目標進行操縱。該研究結果有望用于醫學研究,實現無傷害的光學透視檢查。

  新技術新方法新應用

  從膠片到數碼,攝影技術經歷了多次變遷。姚保利課題組對于“疊層成像”這一技術進行了深入研究。在第三篇題為“Three-dimensional space optimization for near-field ptychography”的論文中,介紹了近場疊層成像術的三維空間優化。疊層成像術(Ptychography),通俗來說就是拍攝多幅照片后重構而成一張,其擁有大視場、高分辨率和定量相位成像的優勢。這一成像方法,已經成功應用于X射線、可見光和電子波段。然而,疊層成像術在實際應用過程中依然存在一些限制,比如在針對厚樣品三維成像時,由于厚度未知,傳統成像方法是盡可能減小對樣品每一層的成像厚度,但這就增加了成像的層數,且對于非均勻空間分布的樣品可能會出現偽影,額外的空白層也會降低圖像質量。論文提出一種新的三維疊層成像算法(GA-3ePIE),可同時優化層數與層距,并且適用于近場三維疊層成像術。該算法也能被推廣到X射線及電子波段領域,也可以用于其他計算成像技術。

  姚保利團隊多年來致力于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,研究水平屬于國際前列。研究團隊先后為國內外多所大學研制了多套激光光鑷微操縱儀,設備性能穩定可靠,獲得用戶的普遍好評。

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