哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院王健副教授在最新一期國(guó)際光學(xué)權(quán)威期刊《Optica》上以“Airy-beam Tomographic Microscopy(艾里光束層析成像顯微鏡)”為題發(fā)表最新研究成果,提出一種基于艾里光場(chǎng)的新型無(wú)掃描、高分辨、三維顯微成像技術(shù)ATM,并成功應(yīng)用于生物細(xì)胞成像。《Optica》是美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)的旗艦期刊,王健副教授是論文第一作者和共同通訊作者。
高斯分布光場(chǎng)經(jīng)過(guò)頻域調(diào)制后可以產(chǎn)生具有無(wú)衍射、自修復(fù)、自加速特性的艾里光束。光束的無(wú)衍射特性有助于提升光學(xué)成像的分辨率;自修復(fù)特性可降低光束透過(guò)介質(zhì)的散射影響,提高成像信噪比;自加速特性可實(shí)現(xiàn)光束在自由空間的橫向自彎曲傳播。將上述特性綜合應(yīng)用,該團(tuán)隊(duì)提出一種獨(dú)特的基于二維投影圖像重建的三維顯微成像方法ATM(見(jiàn)圖1),僅通過(guò)改變調(diào)制器上的圖案,即可以重建高分辨三維目標(biāo)圖像,無(wú)需機(jī)械掃描。
ATM成像過(guò)程包括艾里光束的傳播調(diào)控、PSF調(diào)控以及投影重建算法等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù),通過(guò)頻域的Chirp處理增大焦面單側(cè)方向的傳播距離,抑制光束旁瓣對(duì)成像分辨率的影響。粒子成像實(shí)驗(yàn)表明,在40倍物鏡下該技術(shù)的橫向分辨率為400-700nm,深度分辨率1-2微米。文章中利用該技術(shù)對(duì)小鼠腎細(xì)胞中的腎管和腎小球進(jìn)行了觀測(cè)(見(jiàn)圖2),相比于傳統(tǒng)z掃描成像技術(shù),ATM技術(shù)具有信噪比高、無(wú)需機(jī)械掃描即可實(shí)現(xiàn)深視場(chǎng)(10微米以上)成像等優(yōu)勢(shì)。結(jié)合艾里光束三維重建成像算法,ATM橫向分辨率接近光學(xué)衍射極限,深度方向?qū)崿F(xiàn)超分辨。該技術(shù)有望在其它三維成像技術(shù)中獲得應(yīng)用。
圖2.(a)腎管的傳統(tǒng)z掃描成像;
(b)腎管的ATM成像;
(c)、(d)腎管ATM成像三維結(jié)構(gòu)圖和切面圖;
(e)腎小球的雙色z掃描成像(上568nm;下488nm);
(f)腎小球的雙色ATM成像(上568nm;下488nm);
(g)雙色合成圖像;(h)圖(g)中管狀結(jié)構(gòu)放大圖;
(i)、(j)、(k)管狀結(jié)構(gòu)三個(gè)維度的半高寬圖。
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