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(zhì)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(zhì)中進行的。而當光學系統(tǒng)中有散射介質(zhì)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(diào)控器件和相應的優(yōu)化算法對經(jīng)過散射介質(zhì)后的光場進行調(diào)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(zhì)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(zhì)后產(chǎn)生的聚焦光場質(zhì)量不高，而且無法實現(xiàn)在散射介質(zhì)后特定目標點對微粒的捕獲，也無法在散射介質(zhì)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(zhì)后光束的高質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)后某一平面內(nèi)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(zhì)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(zhì)后的物體成像、深層樣品熒光顯微成像以及散射介質(zhì)后的光場調(diào)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(zhì)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。