基于空间结构光场照明的三维单像素成像

图1.基于空间结构光场照明的三维单像素成像原理图

单像素成像是一种新兴的计算成像技术。该技术使用不具备空间分辨能力的单像素探测器来获取目标物体或场景的空间信息。单像素探测器具有高的时间分辨率、光探测效率和探测带宽，因此单像素光学成像技术在散射、弱光等复杂环境下相较于传统面阵成像技术展现了很大优势。更重要的是，近年来随着飞行时间和立体视觉功能的引入，单像素成像能够实现物体场景的3D空间重构，已经应用于生物医学成像、激光雷达、有害气体传感等领域。然而，对于这两种深度信息光学探测方案，目前最先进的三维单像素光学成像技术的深度分辨率只能达到毫米量级，无法实现对微观物体(如生物细胞)的三维高分辨体成像。

为突破上述成像深度分辨率极限，中国科大光学与光学工程系龚雷课题组与加拿大魁北克大学国家科学研究院Jinyang Liang教授、香港理工大学Puxiang Lai教授开展合作，提出了一种基于三维结构光场照明的三维单像素成像新方法。该成像方法实现了接近衍射极限的三维光学分辨率，将现有三维单像素成像的深度分辨率提高了两个量级，并实现了无标记单细胞的高分辨体成像。研究成果以“Optical Single-Pixel Volumetric Imaging by Three-dimensional Light-Field Illumination”为题，于7月25日在线发表在国际综合学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS)上。

研究团队将该新型成像技术称为基于三维空间光场照明的单像素显微术(3D light-field illumination single-pixel microscopy, 3D-LFI-SPM)并搭建了原型显微镜。该单像素显微镜(0.1数值孔径)能够在390×390×3800μm3视场范围内以接近衍射极限的光学分辨率，2.7-μm的横向分辨率和~37-μm的轴向分辨率，对物体的光吸收分布进行精确的三维成像。团队采用3D-LFI-SPM成功实现了对藻类活细胞的无标记体成像，并基于此实现了细胞的空间原位计数。未来3D-LFI-SPM可拓展至多光谱成像领域，具有重要的生物医学功能成像应用前景。

图2. 藻类活细胞无标记体成像实验结果(样品为雨生红球藻)

中国科大光学与光学工程系博士生刘易凡为论文的第一作者，中国科大龚雷副教授为论文的通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金委、安徽省自然科学基金委、合肥市自然科学基金委、中国博士后科学基金会以及中国科学技术大学青年创新重点项目的资助。

审核编辑 黄宇