2月18日出版的美國光學學會旗下期刊Optics Express?同時刊登了中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態(tài)光學與光子技術國家重點實驗室姚保利研究組的三篇研究論文。?

　　在第一篇題為Large-scale 3D imaging of insects with natural color?的文章中，研究人員實現(xiàn)了大尺寸昆蟲自然色三維高分辨率定量成像。經(jīng)過億萬年的進化，生物結構非常復雜與精巧，并承載了多樣的功能和迷人的景象。生物結構在不同尺度、不同維度和不同部位的觀察與形態(tài)分析，為科學研究結果提供最直接的證據(jù)，在眾多學科領域扮演著不可或缺的角色。目前高分辨率三維成像技術已經(jīng)在生物學領域有了廣泛的應用，并推動著生物學研究不斷取得新的進展。但是已有的技術與研究工具還存在一些不足，比如對大樣品進行三維成像時數(shù)據(jù)量大且耗時，高分辨率與大成像視場難以同時滿足，樣品自然色彩難以獲取等。因此，尋找一種能夠對昆蟲進行快速三維成像，并獲得其高分辨形貌信息和色彩信息的設備，就成了昆蟲分類學家和相關研究領域的迫切需要。

　　為了解決這些問題，課題組在前期工作的基礎上，與中科院動物研究所合作，通過對彩色結構照明光學成像系統(tǒng)和相關算法進行改造升級，克服了已有三維成像方法的缺陷，大大提升了系統(tǒng)的光能利用率和照明均勻性，使得成像系統(tǒng)在高分辨率、大尺寸、三維、快速、全彩色和定量分析等六大成像要素上均得到有效提升。該研究對大尺寸昆蟲的高分辨三維定量分析具有重要的參考意義，同時為昆蟲結構色的研究提供了新的技術手段，在進化生物學、仿生學、分類學、功能形態(tài)學、古生物學和工程學等領域具有廣泛的應用前景。

　　在第二篇題為Real-time optical manipulation of particles through turbid media?的文章中，研究人員主要實現(xiàn)了透過散射介質后對微粒的實時光學微操縱。2018年諾貝爾物理學獎的一半授予了光鑷的發(fā)明人Arthur Ashkin，在那里激光捕獲和操縱微粒是在透明和無散射介質中進行的。而當光學系統(tǒng)中有散射介質存在時，成像目標難以在像面清晰呈現(xiàn)，激光也難以聚焦成為一個焦點。目前有多種方法來克服散射的影響，其中最常用的方法是利用光場調控器件和相應的優(yōu)化算法對經(jīng)過散射介質后的光場進行調控。遺傳算法具有收斂速度快、抗噪聲能力強的優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛應用于散射介質后的光場聚焦和成像，然而遺傳算法在實際應用中依然存在一些問題，比如隨著優(yōu)化的進行，其收斂速度逐漸變慢，噪聲對最終聚焦結果影響較大，優(yōu)化結果受探測器動態(tài)范圍限制等。近年來，隨著相關技術的成熟，已有研究者將波前矯正技術和光學捕獲結合，實現(xiàn)利用散射光場對微粒的捕獲，但是此類技術在散射介質后產(chǎn)生的聚焦光場質量不高，而且無法實現(xiàn)在散射介質后特定目標點對微粒的捕獲，也無法在散射介質后沿特定路徑對粒子進行操控，靈活性以及應用場合受到限制。

　　為了實現(xiàn)對經(jīng)過散射介質后光束的高質量聚焦并將其應用于實際，該文提出了一種相間分區(qū)域波前校正方法，實現(xiàn)了入射光經(jīng)過散射介質后單點和多點的重新聚焦。將該方法和光鑷技術結合，可以對散射介質后單一粒子和多個粒子的同時捕獲，并且可以實現(xiàn)在散射介質后某一平面內沿特定軌跡對微粒的操縱。與傳統(tǒng)遺傳算法相比，該方法具有收斂速度快、聚焦強度高、對探測器動態(tài)范圍需求小的優(yōu)點，大大提高了光經(jīng)過散射介質后的聚焦效果，不僅可以應用于光學微操縱，而且可以應用于其它相關領域，為散射介質后的物體成像、深層樣品熒光顯微成像以及散射介質后的光場調控提供了有效手段。

　　在第三篇題為Three-dimensional space optimization for near-field ptychography?的文章中，研究人員實現(xiàn)了近場疊層成像術的三維空間優(yōu)化。疊層成像術（Ptychography）是一種無透鏡的相干衍射成像技術，擁有大視場、高分辨和定量相位的優(yōu)勢。通過記錄多幅交疊的衍射圖像，利用交疊區(qū)域的數(shù)據(jù)冗余和先進的相位恢復算法，能恢復出物體的透射率函數(shù)分布、分解相干態(tài)以及校準系統(tǒng)誤差。這一無透鏡的成像方法已經(jīng)成功應用于可見光、電子波段和X射線波段。然而，疊層成像術在實際應用過程中依然存在一些限制，比如在針對三維厚樣品成像時，其厚度是未知的，傳統(tǒng)成像方法是盡可能減小對樣品每一層的成像厚度，這就增加了成像的層數(shù)，而且該方法只適用于連續(xù)樣品，對于離散的有著非均勻空間分布的樣品則可能會出現(xiàn)偽影，額外的空白層也會降低圖像質量。

　　該文提出一種基于遺傳算法的三維疊層成像算法（GA-3ePIE），可同時優(yōu)化層數(shù)與層距，并且適用于近場三維疊層成像術。相比于遠場，它可以使用更少的圖像重構相同大小的視場，而且對光源相干性以及探測器動態(tài)范圍要求更低。通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著交疊率和采樣率的提升，可恢復層數(shù)變多。該算法也能被推廣到X射線及電子波段領域，同時也可以用于其它計算成像技術，如傅里葉疊層顯微成像術。

　　姚保利團隊多年來一直致力于新型光學成像及光學微操縱新方法、新技術和新儀器的研究和開發(fā)，已在PRL、PRA、OL、OE?等國際期刊上發(fā)表200多篇研究論文，授權多項國家發(fā)明專利。2013年在國際上首次提出并實現(xiàn)了基于數(shù)字微鏡器件（DMD）和LED照明的結構光照明顯微成像技術，分辨率達到90nm，該成像設備已成功應用于多項生命科學研究之中。研究團隊先后為國內外多所大學研制了多套激光光鑷微操縱儀，設備性能穩(wěn)定可靠，獲得用戶的普遍好評。

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　　圖1.?兩種中華虎甲的三維成像結果。(a)?虎甲1的最大值投影圖（4X, NA0.2），其三維成像體積約為18.7 x 9.4 x 7.0 mm3。(b)?利用20X, NA0.45物鏡對圖(a)中紅色方框內區(qū)域進行成像的最大值投影結果。(c)?圖(b)的三維形貌信息。(d)?圖(c)中藍色曲線所經(jīng)過的復眼的三維輪廓曲線。(e)?虎甲2的最大值投影（4X, NA0.2），其三維成像體積約為19.5 x 8.3 x 6.6 mm3。(f)?利用20X, NA0.45物鏡對圖(e)?中紅色方框內區(qū)域進行成像的最大值投影結果。(g)?圖(f)的三維形貌信息。(h)?圖(g)中藍色曲線所經(jīng)過的復眼的三維輪廓曲線。

　　圖2.?激光透過散射介質后對微粒的捕獲和操縱實驗結果。(a)-(e)散射介質后操縱微粒沿矩形軌跡運動；(f)-(j)散射介質后操縱微粒沿圓形軌跡運動（標尺：10μm）

　　圖3.?不同參數(shù)下USAF分辨率板的強度恢復結果。（a）單層重構結果。（b1-b2）和（c1-c2）不同層距下兩層重構結果。（d1-d3）三層重構結果，包含一層空白層。（e1-e2）和（f1-f2）使用GA-3ePIE算法下的重構結果及放大圖。（g）一張典型的衍射圖。