基于空間結(jié)構(gòu)光場照明的三維單像素成像

圖1.基于空間結(jié)構(gòu)光場照明的三維單像素成像原理圖

單像素成像是一種新興的計算成像技術(shù)。該技術(shù)使用不具備空間分辨能力的單像素探測器來獲取目標(biāo)物體或場景的空間信息。單像素探測器具有高的時間分辨率、光探測效率和探測帶寬，因此單像素光學(xué)成像技術(shù)在散射、弱光等復(fù)雜環(huán)境下相較于傳統(tǒng)面陣成像技術(shù)展現(xiàn)了很大優(yōu)勢。更重要的是，近年來隨著飛行時間和立體視覺功能的引入，單像素成像能夠?qū)崿F(xiàn)物體場景的3D空間重構(gòu)，已經(jīng)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像、激光雷達(dá)、有害氣體傳感等領(lǐng)域。然而，對于這兩種深度信息光學(xué)探測方案，目前最先進(jìn)的三維單像素光學(xué)成像技術(shù)的深度分辨率只能達(dá)到毫米量級，無法實(shí)現(xiàn)對微觀物體(如生物細(xì)胞)的三維高分辨體成像。

為突破上述成像深度分辨率極限，中國科大光學(xué)與光學(xué)工程系龔雷課題組與加拿大魁北克大學(xué)國家科學(xué)研究院Jinyang Liang教授、香港理工大學(xué)Puxiang Lai教授開展合作，提出了一種基于三維結(jié)構(gòu)光場照明的三維單像素成像新方法。該成像方法實(shí)現(xiàn)了接近衍射極限的三維光學(xué)分辨率，將現(xiàn)有三維單像素成像的深度分辨率提高了兩個量級，并實(shí)現(xiàn)了無標(biāo)記單細(xì)胞的高分辨體成像。研究成果以“Optical Single-Pixel Volumetric Imaging by Three-dimensional Light-Field Illumination”為題，于7月25日在線發(fā)表在國際綜合學(xué)術(shù)期刊Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)上。

研究團(tuán)隊將該新型成像技術(shù)稱為基于三維空間光場照明的單像素顯微術(shù)(3D light-field illumination single-pixel microscopy, 3D-LFI-SPM)并搭建了原型顯微鏡。該單像素顯微鏡(0.1數(shù)值孔徑)能夠在390×390×3800μm3視場范圍內(nèi)以接近衍射極限的光學(xué)分辨率，2.7-μm的橫向分辨率和~37-μm的軸向分辨率，對物體的光吸收分布進(jìn)行精確的三維成像。團(tuán)隊采用3D-LFI-SPM成功實(shí)現(xiàn)了對藻類活細(xì)胞的無標(biāo)記體成像，并基于此實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的空間原位計數(shù)。未來3D-LFI-SPM可拓展至多光譜成像領(lǐng)域，具有重要的生物醫(yī)學(xué)功能成像應(yīng)用前景。

圖2. 藻類活細(xì)胞無標(biāo)記體成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果(樣品為雨生紅球藻)

中國科大光學(xué)與光學(xué)工程系博士生劉易凡為論文的第一作者，中國科大龔雷副教授為論文的通訊作者。上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、安徽省自然科學(xué)基金委、合肥市自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金會以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。

審核編輯 黃宇