近日，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)研究室在透過(guò)散射介質(zhì)光學(xué)顯微成像領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研究成果發(fā)表于Journal of Physics: Photonics。論文共同第一作者為西安光機(jī)所彭彤副研究員和李潤(rùn)澤助理研究員，通訊作者為西安光機(jī)所但旦研究員和姚保利研究員。
光學(xué)顯微成像技術(shù)憑借非侵入、無(wú)損傷的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是生命科學(xué)研究中洞察微觀生命活動(dòng)的核心工具。然而，生物組織內(nèi)部折射率分布極不均勻，光線穿過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的散射與波前畸變，如同隔著多層磨砂玻璃觀察微觀世界，不僅導(dǎo)致成像模糊，更極大限制了觀測(cè)的穿透深度。現(xiàn)有的散射補(bǔ)償技術(shù)普遍存在系統(tǒng)復(fù)雜、計(jì)算量大且依賴標(biāo)記等問(wèn)題。傳統(tǒng)透射顯微技術(shù)難以同時(shí)校正照明與探測(cè)路徑波前畸變，而波前整形雖可實(shí)現(xiàn)散射介質(zhì)光場(chǎng)聚焦，但受限于聚焦光斑尺寸較大，導(dǎo)致分辨率受限。
圖1 通過(guò)波前整形與圖像掃描顯微實(shí)現(xiàn)多層散射介質(zhì)高分辨率成像的原理
對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出無(wú)導(dǎo)星雙向波前校正成像技術(shù)。該技術(shù)以樣品反射光作為反饋信號(hào)，通過(guò)單一空間光調(diào)制器同時(shí)對(duì)入射照明光與返回探測(cè)光路的波前畸變進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)非侵入、無(wú)需熒光標(biāo)記的光學(xué)重聚焦。
該技術(shù)將波前整形與圖像掃描顯微技術(shù)融合，在實(shí)現(xiàn)散射聚焦的基礎(chǔ)上進(jìn)一步壓縮聚焦光斑尺寸，通過(guò)逐步增加調(diào)控單元數(shù)量的校正策略及分層散射補(bǔ)償機(jī)制，在保證精度的同時(shí)大幅提高了計(jì)算效率。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)在總光學(xué)厚度1.82的三層散射介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量聚焦；進(jìn)一步結(jié)合像素重分配與去卷積處理，系統(tǒng)分辨率相較于單純散射校正提升了約1.76倍。
圖2 透過(guò)散射介質(zhì)的分高分辨成像結(jié)果
該技術(shù)解決了光學(xué)顯微成像中照明與探測(cè)路徑散射畸變難以同時(shí)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，為生物組織深層高分辨成像開(kāi)辟了新途徑，未來(lái)有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域。
彭彤介紹，“生物組織對(duì)光的散射是制約光學(xué)顯微實(shí)現(xiàn)深層、清晰成像的主要障礙。我們通過(guò)對(duì)光場(chǎng)的精確調(diào)控，讓散亂的光線恢復(fù)有序，有效化解了光線傳輸路徑上的干擾難題，實(shí)現(xiàn)了從‘看不見(jiàn)’到‘看得見(jiàn)’再到‘看得清’的突破。”
研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
西安光機(jī)所姚保利研究員團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在透過(guò)散射介質(zhì)成像和光學(xué)顯微成像領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究并取得了系列進(jìn)展，包括透過(guò)動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)成像、透過(guò)散射介質(zhì)的非侵入顯微成像以及雙光子自適應(yīng)光學(xué)成像等。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nanophotonics、Photonics Res.、Appl. Phys. Lett.、Opt. Express等期刊。
