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，因此單像素光學成像技術(shù)在散射、弱光等復雜環(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)應用于生物醫(yī)學成像、激光雷達、有害氣體傳感等領(lǐng)域。然而，對于這兩種深度信息光學探測方案，目前最先進的三維單像素光學成像技術(shù)的深度分辨率只能達到毫米量級，無法實現(xiàn)對微觀物體(如生物細胞)的三維高分辨體成像。

為突破上述成像深度分辨率極限，中國科大光學與光學工程系龔雷課題組與加拿大魁北克大學國家科學研究院Jinyang Liang教授、香港理工大學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。該成像方法實現(xiàn)了接近衍射極限的三維光學分辨率，將現(xiàn)有三維單像素成像的深度分辨率提高了兩個量級，并實現(xiàn)了無標記單細胞的高分辨體成像。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)表在國際綜合學術(shù)期刊Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)上。

研究團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行精確的三維成像。團隊采用3D-LFI-SPM成功實現(xiàn)了對藻類活細胞的無標記體成像，并基于此實現(xiàn)了細胞的空間原位計數(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)學功能成像應用前景。

圖2. 藻類活細胞無標記體成像實驗結(jié)果(樣品為雨生紅球藻)

中國科大光學與光學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基金委、安徽省自然科學基金委、合肥市自然科學基金委、中國博士后科學基金會以及中國科學技術(shù)大學青年創(chuàng)新重點項目的資助。

審核編輯 黃宇