美国光学学会旗舰期刊Optica报道我校计算光学显微成像领域重要研究进展

2023-03-09来源:电子工程与光电技术学院作者:孙菲审核人:徐峰编辑:曹佳音阅读:2611

近日,我校电子工程与光电技术学院陈钱、左超教授课题组提出了一种全新的无标记、高分辨率三维衍射层析显微成像技术。研究成果以“Transport-of-intensity Fourier ptychographic diffraction tomography: defying the matched illumination condition”(光强传输傅里叶叠层衍射层析:打破匹配照明限制)为题发表于美国光学学会旗舰期刊Optica。美国光学学会是光学领域权威的国际性学术组织,其中Optica作为美国光学学会同名旗舰期刊,属于光学领域顶级期刊,影响因子10.64。南京理工大学博士生周顺与博士后李加基为本文的共同第一作者,左超教授与陈钱教授为论文的共同通讯作者。文章链接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.476474。 

光学衍射层析(Optical diffraction tomography,ODT)作为一种非常有前途的计算光学显微成像技术,能够实现对透明生物样品的无标记、非侵入式3D全貌体成像。相比于传统“所见即所得”的光学显微成像模式,ODT为从更高维度,更高分辨率上观察细胞生命活动提供了简单高效的解决方案,有助于探索细胞的生长与分化、代谢与繁殖、运动与通讯、衰老与凋亡、遗传与进化等生命过程中的化学本质和规律,为探究重大疾病的起因、发展和治疗提供更可靠的科学依据。

但是,传统的ODT技术大多数基于干涉或全息测量,激光光源带来了相干噪声,降低了图像的空间分辨率;复杂的干涉装置又使其对测量环境的要求变得十分苛刻,难以兼容现有的光学显微镜系统,阻碍了其在生物和医学界的广泛应用。近年来,非干涉ODT技术因其系统简单性、无散斑成像质量以及与现有显微镜的兼容性而受到越来越多的关注,它能从直接探测的光强信息中恢复待测样品的空间折射率分布。然而在实验中,非干涉ODT技术往往由于匹配照明条件(照明数值孔径等于物镜数值孔径)难以满足而使得成像结果受到低频缺失问题的困扰,导致难以获得高质量的折射率层析图。

对于此技术难点,我校陈钱、左超教授研究团队提出了一种基于非干涉测量的高分辨率3D显微成像技术,即光强传输傅里叶叠层衍射层析(Transport-of-intensity Fourier ptychographic diffraction tomography,TI-FPDT)。该技术将傅里叶叠层的角度多样性和光强传输测量相结合,利用离焦光强图中的离焦相衬信息,克服了传统非干涉测量方法中由于照明条件不匹配所引起的重建质量下降和折射率低估问题。因此,TI-FPDT有效地规避了匹配照明条件对照明数值孔径的严格要求,可以在任意照明条件下对样品实现准确3D折射率成像,从而使高数值孔径物镜下的非干涉光学衍射层析成像成为可能。该技术简单有效,有望在生物医学应用中为无标记3D显微镜开辟新的可能性。

 

图1 TI-FPDT的硬件装置以及重建算法流程图

该工作得到了国家自然科学基金(61905115, 62105151, 62175109, U21B2033)、国家重大科研仪器研制项目(62227818)等支持。