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“新工具”有望实现无辐射透视检查

2019-03-04 14:06  本文来源:西安日报 作者:编辑

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“新工具”下,两种中华虎甲的复眼三维成像结果。 (图片由受访者提供)

 “同一期权威杂志上同时刊登了我们的三篇研究论文,说明在该光学领域,我们的研究得到了国际同行的认可,走在了国际前列。”3月3日,中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室主任姚保利研究员自豪地说。

  这三篇论文的题目,分别是:“大尺寸昆虫三维彩色成像”、“透过散射介质的微粒实时光学微操纵”和“叠层成像术的三维空间优化”,都发表在2月18日出版的美国光学学会旗下权威期刊《Optics Express》上,研究成果都来自姚保利研究组。

  探索微观世界的新工具

  亿万年的进化,使得生物结构变得非常复杂、精巧,承载了多样的功能和迷人的景象。在不同尺度、不同维度和不同部位,对于生物结构的观察与形态分析,为科学研究提供了最直接的证据,在众多学科领域扮演着不可或缺的角色。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。但目前已有的技术仍存在许多不足,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。

  为什么微观物体自然色彩难以获取?姚保利解释道:“虽然我们日常普通的相机也可以拍摄出彩色照片,但是到了微观领域,由于昆虫内部结构极其精细,无法采用自然光线照明,必须使用高亮度的激光或单色光,通常只能得到二维单色图片。”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,就成了昆虫分类学家和相关研究领域的迫切需要。

  为了解决上述问题,团队在前期工作的基础上,与中科院动物研究所合作,通过对光学成像系统和相关算法进行优化升级,使得系统实现了高分辨率、大尺寸、三维、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:“我们研发的显微成像系统,是一种特殊设计的显微镜,可实现快速三维成像。昆虫大小不一,从肉眼不可分辨的昆虫到较大的如甲壳虫,从亚毫米量级到厘米量级大小差异较大,一般显微镜都是应用于毫米级及以下的物品,但我们成像系统可以应用于厘米级昆虫拍摄,能够清晰展示其三维结构,实现高分辨率、彩色快速成像。”该研究是以往技术突破的集大成,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,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。

  有望实现无辐射透视检查

  雾、毛玻璃等不透明的或浑浊的介质,都称之为散射介质。光在这些介质中传播时,由于散射的存在,使得光的传播特性发生了变化,无法实现物体在像面清晰成像,比如大雾天气下能见度降低,隔着毛玻璃很难看清玻璃后面的物体。因此,如何克服散射的影响,实现物体经过散射介质后成像便成为光学成像领域的一大难题。皮肤和组织也是一种散射介质,目前在医学领域若想透过皮肤和组织进行身体检查,只能通过CT、X射线、B超等方式,但这些方式也存在一些弊端,比如对人体有辐射伤害、精度较低、造价高。

  姚保利课题组在第二篇论文中,介绍了透过散射介质后对微粒的实时光学微操纵。2018年诺贝尔物理学奖的一半授予了光镊的发明人Ashkin。姚保利介绍,“形象地讲,光镊可以看成是一种夹取细胞与微粒的镊子。”但是在诺贝尔物理学奖得主的研究中,激光捕获和操纵微粒是在透明和无散射介质中进行的。而当有散射介质存在时,成像目标难以清晰呈现,激光也难以聚焦成为一个焦点。团队通过纯光学办法实现了激光透过散射介质后的聚焦并利用聚焦点对散射介质后的微观目标进行操纵。该研究结果有望用于医学研究,实现无伤害的光学透视检查。

  新技术新方法新应用

  从胶片到数码,摄影技术经历了多次变迁。姚保利课题组对于“叠层成像”这一技术进行了深入研究。在第三篇题为“Three-dimensional space optimization for near-field ptychography”的论文中,介绍了近场叠层成像术的三维空间优化。叠层成像术(Ptychography),通俗来说就是拍摄多幅照片后重构而成一张,其拥有大视场、高分辨率和定量相位成像的优势。这一成像方法,已经成功应用于X射线、可见光和电子波段。然而,叠层成像术在实际应用过程中依然存在一些限制,比如在针对厚样品三维成像时,由于厚度未知,传统成像方法是尽可能减小对样品每一层的成像厚度,但这就增加了成像的层数,且对于非均匀空间分布的样品可能会出现伪影,额外的空白层也会降低图像质量。论文提出一种新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。该算法也能被推广到X射线及电子波段领域,也可以用于其他计算成像技术。

  姚保利团队多年来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等国际期刊上发表200多篇研究论文,授权多项国家发明专利,研究水平属于国际前列。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,获得用户的普遍好评。

责任编辑:周余涛

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