西安光机所硬科技科研成果丰硕 先进光学成像研究不断取得进展

本报讯（首席记者杨斌鹄）2019年2月18日出版的美国光学学会旗下著名光学期刊《OpticsExpress》同时刊登了西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室姚保利研究组的三篇研究论文，显示了西安光机所在先进光学成像领域研究不断取得新进展。

在第一篇题为“Large-scale3Dimagingofinsectswithnaturalcolor”的文章中，介绍了如何实现大尺寸昆虫自然色三维高分辨率定量成像。目前高分辨率三维成像技术已经在生物学领域有了广泛的应用，并推动着生物学研究不断取得新的进展。但是已有的技术与研究工具还存在一些不足，比如对大样品进行三维成像时数据量大且耗时，高分辨率与大成像视场难以同时满足，样品自然色彩难以获取等。因此，寻找一种能够对昆虫进行快速三维成像，并获得其高分辨形貌信息和色彩信息的设备，就成为了昆虫分类学家和相关研究领域的迫切需要。为了解决这些问题，课题组在前期工作的基础上，与中科院动物研究所合作，通过对彩色结构照明光学成像系统和相关算法进行改造升级，克服了已有三维成像方法的缺陷，大大提升了系统的光能利用率和照明均匀性，使得成像系统在高分辨率、大尺寸、三维、快速、全彩色和定量分析等6大成像要素上均得到了有效提升。该研究对大尺寸昆虫的高分辨三维定量分析具有重要的参考意义，同时为昆虫结构色的研究提供了新的技术手段，在进化生物学、仿生学、分类学、功能形态学、古生物学和工程学等领域具有广泛的应用前景。

在第二篇题为“Real-timeopticalmanipulationofparticlesthroughturbidmedia”的文章中，主要介绍了如何实现透过散射介质后对微粒的实时光学微操纵。为了实现对经过散射介质后光束的高质量聚焦并将其应用于实际，本文提出了一种相间分区域波前校正方法，实现了入射光经过散射介质后单点和多点的重新聚焦。将该方法和光镊技术结合，可以对散射介质后单一粒子和多个粒子的同时捕获，并且可以实现在散射介质后某一平面内沿特定轨迹对微粒的操纵。与传统遗传算法相比，该方法具有收敛速度快、聚焦强度高、对探测器动态范围需求小的优点，大大提高了光经过散射介质后的聚焦效果，不仅可以应用于光学微操纵，而且可以应用于其他相关领域，为散射介质后的物体成像、深层样品荧光显微成像以及散射介质后的光场调控提供了有效手段。

在第三篇题为“Three-dimensionalspaceoptimizationfornear-fieldptychography”的文章中，介绍了如何实现近场叠层成像术的三维空间优化。据介绍，叠层成像术在实际应用过程中依然存在一些限制，比如在针对三维厚样品成像时，其厚度是未知的，传统成像方法是尽可能减小对样品每一层的成像厚度，这就增加了成像的层数，而且该方法只适用于连续样品，对于离散的有着非均匀空间分布的样品则可能会出现伪影，额外的空白层也会降低图像质量。本文提出一种基于遗传算法的三维叠层成像算法（GA-3ePIE），可同时优化层数与层距，并且适用于近场三维叠层成像术。相比于远场，它可以使用更少的图像重构相同大小的视场，而且对光源相干性以及探测器动态范围要求更低。通过分析发现，随着交叠率和采样率的提升，可恢复层数变多。该算法也能被推广到X射线及电子波段领域，同时也可以用于其他计算成像技术，如傅里叶叠层显微成像术。

记者了解到，姚保利研究员带领的团队多年来一直致力于新型光学成像及光学微操纵新方法、新技术和新仪器的研究和开发，已在PRL、PRA、OL、OE等国际知名期刊上发表了200多篇研究论文，授权多项国家发明专利。研究团队曾获陕西省科学技术一等奖、二等奖，陕西省重点科技创新团队等荣誉称号。2013年在国际上首次提出并实现了基于数字微镜器件（DMD）和LED照明的结构光照明显微成像技术，分辨率达到90纳米，该成像设备已成功应用于多项生命科学研究之中。研究团队先后为国内外多所大学研制了多套激光光镊微操纵仪，设备性能稳定可靠，获得了用户的普遍好评。

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