西安光機所三維顯微成像技術研究取得新進展

　　日前，Nature旗下的Scientific Reports 刊登了中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室姚保利研究組題為Full-color structured illumination optical sectioning microscopy 的研究論文。

　　眾所周知，色彩（光譜）信息是描述物體特征的一個重要物理量。三維物體彩色層析成像技術是獲取物體表面形態特征的重要手段，也是真實物體三維數字化的基礎。以激光共聚焦掃描顯微鏡為代表的點掃描顯微成像技術具有三維層析成像能力，但是逐點掃描整個三維樣品需要較長的時間，而且視場很小，目前僅應用于生物醫學顯微成像領域。條紋投影法和白光相移干涉法是較為成熟的三維物體表面成像與測量技術，得到了廣泛的應用，這兩種技術結合三維貼圖技術（3D mapping）都可以近似得到三維物體的表面顏色信息，但是貼圖技術的缺點是圖像畸變大而且分辨率不高。同時，受到相位解包裹算法的限制，條紋投影法和白光相移干涉法對于表面具有復雜和突變結構的物體都不適用，而類似的復雜結構又是常見的（例如動物的毛發、機械工件的表面毛刺、植物的葉片等）。結構光照明顯微（SIM）是一種特殊照明方式的寬場成像技術，經過特定算法的解算和重構可以實現三維光切片成像，并且能夠精確解析樣品表面的復雜結構。但目前所有的SIM都是單色的，另外，受顯微物鏡視場大小的限制，SIM技術目前也僅應用于微觀領域。

　　西安光機所姚保利研究組自2010年開始SIM技術研究以來，開展了深入細致的理論和實驗研究工作，首次提出并實現了基于數字微鏡器件（DMD）和LED照明的SIM技術（Scientific Reports 2013，國家發明ZLZL201110448980.8）。在本次發表的研究論文中，通過使用彩色CMOS相機記錄白光或多色結構光照明獲得的光切片圖像，對傳統光切片SIM技術采用的均方根層析算法進行改進，提出了基于HSV彩色空間的彩色解碼算法（已申請國家發明ZL），獲得了物體高分辨率彩色三維圖像。結合三維多視場數據自適應融合技術，解決了對介觀物體（亞毫米到毫米量級尺寸）顯微成像時，由于顯微物鏡視場有限，無法一次獲得整個物體高分辨三維圖像的問題，視場范圍達到了2mm2以上。研究組與中科院動物研究所開展了聯合實驗研究，實現了對螨蟲和昆蟲跳器的彩色三維光切片成像，為該方面的研究提供了有力的技術支持。同時對微電子芯片及硬幣表面結構進行了大視場彩色三維成像，推動了SIM技術在三維物體表面形貌測量方面的應用。

　　三維成像與測量技術是目前國內外光學領域一個重要的研究方向，已嵌入到了現代工業與文化創意產業的整個流程。該研究取得的成果使西安光機所在三維顯微成像方面掌握了核心技術，該技術通過與生物醫學、材料化學、精密制造等學科的交叉合作，將大大提高我國在該領域的研究水平，具有廣泛的應用前景。

螨蟲（a）和跳甲跳器（b）的彩色三維圖像

數字微鏡器件芯片的彩色三維圖像