光束的无衍射特性有助于提升光学成像的分辨率

日前，哈尔滨工业大学物理学院王健副教授在最新一期国际光学权威期刊《光学》(Optica)上以“艾里光束层析成像显微镜”(Airy-beam Tomographic Microscopy)为题发表最新研究成果，提出一种基于艾里光场的新型无扫描、高分辨、三维显微成像技术 ATM，并成功应用于生物细胞成像。

《光学》(Optica)是美国光学学(OSA)的旗舰期刊，王健副教授是论文第一作者和共同通讯作者。

高斯分布光场经过频域调制后可以产生具有无衍射、自修复、自加速特性的艾里光束。光束的无衍射特性有助于提升光学成像的分辨率;自修复特性可降低光束透过介质的散射影响，提高成像信噪比;自加速特性可实现光束在自由空间的横向自弯曲传播。将上述特性综合应用，该团队提出一种独特的基于二维投影图像重建的三维显微成像方法 ATM ，仅通过改变调制器上的图案，即可以重建高分辨三维目标图像，无需机械扫描。

ATM 成像过程包括艾里光束的传播调控、PSF 调控以及投影重建算法等多项创新技术，通过频域的 Chirp 处理增大焦面单侧方向的传播距离，抑制光束旁瓣对成像分辨率的影响。粒子成像实验表明，在 40 倍物镜下该技术的横向分辨率为 400-700nm，深度分辨率1-2 微米。文章中利用该技术对小鼠肾细胞中的肾管和肾小球进行了观测(见图2)，相比于传统z扫描成像技术，ATM 技术具有信噪比高、无需机械扫描即可实现深视场(10 微米以上)成像等优势。结合艾里光束三维重建成像算法，ATM 横向分辨率接近光学衍射极限，深度方向实现超分辨。该技术有望在其它三维成像技术中获得应用。

肾管的传统z扫描成像;(b)肾管的 ATM 成像;(c)、(d)肾管 ATM 成像三维结构图和切面图;(e)肾小球的双色z扫描成像(上 568nm;下 488nm);(f)肾小球的双色 ATM 成像(上 568nm;下 488nm);(g)双色合成图像;(h)图(g)中管状结构放大图;(i)、(j)、(k)管状结构三个维度的半高宽图。

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