刁雯蕙 科技日?qǐng)?bào)記者 劉傳書
3月26日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院光電工程技術(shù)中心李劍平團(tuán)隊(duì)在知名光學(xué)期刊Optics Letters上發(fā)表最新研究成果。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種生成薄而寬的準(zhǔn)無衍射激光光片的光瞳掩模優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。博士后研究員唐城博士為論文第一作者，正高級(jí)工程師李劍平博士為通訊作者。
光片熒光顯微術(shù)（light sheet microscopy）是活體生物成像的一場(chǎng)革命。通過將激發(fā)激光限制于顯微物鏡景深范圍附近的光片薄層，既可以減少顯微成像的離焦模糊，又可以減少光漂白和光毒性，極大地提高了圖像的清晰度，延長(zhǎng)了生物樣品的觀測(cè)時(shí)間。通過逐層掃描樣品或光片可形成三維圖像。使用面陣數(shù)字相機(jī)的上百萬個(gè)像素對(duì)焦平面中的目標(biāo)斷層進(jìn)行并行采樣，具有極高的采樣速度；結(jié)合流式進(jìn)樣方法還可以實(shí)現(xiàn)高通量流式顯微成像。由于其高清、無損、三維、快速等特點(diǎn)，光片熒光顯微術(shù)是表征活體細(xì)胞、組織、胚胎和器官的理想手段。
然而，光片顯微術(shù)的成像性能受限于光片的光學(xué)屬性，其成像分辨率受限于光片的厚度，成像視場(chǎng)受限于光片的寬度。而光片的厚度和寬度因光波固有的衍射屬性相互制衡。薄光片支持高分辨率，但衍射發(fā)散快、有效寬度窄，限制了成像視場(chǎng)；厚光片衍射發(fā)散慢，支持大視場(chǎng)成像，但限制了分辨率。光的衍射屬性導(dǎo)致成像分辨率和視場(chǎng)構(gòu)成一對(duì)天然矛盾，限制了光片顯微成像中生物個(gè)體的大小及表征通量。高分辨率大視場(chǎng)顯微成像需要薄而寬的光片，這種光片具有無衍射性質(zhì)。無衍射光片必然伴有旁瓣，旁瓣對(duì)成像構(gòu)成離焦背景噪音。因而基于無衍射光片的顯微熒光成像須控制旁瓣的影響。
用于生成無衍射光片的光瞳掩膜及其使用方法示意圖?？蒲袌F(tuán)隊(duì)供圖
針對(duì)這一問題，研究者提出了一種數(shù)值優(yōu)化方法，可以用來設(shè)計(jì)一種叫做光瞳掩膜的衍射光學(xué)器件，以生成薄而寬的光片。該衍射光學(xué)器件通過調(diào)制振幅或相位，可以調(diào)控光片的厚度、寬度和旁瓣，從而突破高斯光束傳播規(guī)律的限制，在僅使用廉價(jià)的柱透鏡和掩模板的基礎(chǔ)上就實(shí)現(xiàn)了薄而寬的光片。
該方法巧妙提出了一個(gè)光片質(zhì)量的全局評(píng)價(jià)因子，用以表征光片厚度、無衍射范圍和旁瓣之間的制衡關(guān)系。理論和實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后的掩?？蓪㈧o態(tài)光片無衍射范圍擴(kuò)大50%，同時(shí)使其旁瓣低于20%。據(jù)此生成的新型靜態(tài)光片可以在不犧牲軸向分辨率的前提下，對(duì)樣品實(shí)現(xiàn)更大視野成像。
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