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西安光机所三维显微成像技术研究取得新进展

2015-11-11 09:29
kumsing
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  日前,Nature旗下的Scientific Reports 刊登了中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室姚保利研究组题为Full-color structured illumination optical sectioning microscopy 的研究论文。

  众所周知,色彩(光谱)信息是描述物体特征的一个重要物理量。三维物体彩色层析成像技术是获取物体表面形态特征的重要手段,也是真实物体三维数字化的基础。以激光共聚焦扫描显微镜为代表的点扫描显微成像技术具有三维层析成像能力,但是逐点扫描整个三维样品需要较长的时间,而且视场很小,目前仅应用于生物医学显微成像领域。条纹投影法和白光相移干涉法是较为成熟的三维物体表面成像与测量技术,得到了广泛的应用,这两种技术结合三维贴图技术(3D mapping)都可以近似得到三维物体的表面颜色信息,但是贴图技术的缺点是图像畸变大而且分辨率不高。同时,受到相位解包裹算法的限制,条纹投影法和白光相移干涉法对于表面具有复杂和突变结构的物体都不适用,而类似的复杂结构又是常见的(例如动物的毛发、机械工件的表面毛刺、植物的叶片等)。结构光照明显微(SIM)是一种特殊照明方式的宽场成像技术,经过特定算法的解算和重构可以实现三维光切片成像,并且能够精确解析样品表面的复杂结构。但目前所有的SIM都是单色的,另外,受显微物镜视场大小的限制,SIM技术目前也仅应用于微观领域。

  西安光机所姚保利研究组自2010年开始SIM技术研究以来,开展了深入细致的理论和实验研究工作,首次提出并实现了基于数字微镜器件(DMD)和LED照明的SIM技术(Scientific Reports 2013,国家发明专利ZL201110448980.8)。在本次发表的研究论文中,通过使用彩色CMOS相机记录白光或多色结构光照明获得的光切片图像,对传统光切片SIM技术采用的均方根层析算法进行改进,提出了基于HSV彩色空间的彩色解码算法(已申请国家发明专利),获得了物体高分辨率彩色三维图像。结合三维多视场数据自适应融合技术,解决了对介观物体(亚毫米到毫米量级尺寸)显微成像时,由于显微物镜视场有限,无法一次获得整个物体高分辨三维图像的问题,视场范围达到了2mm2以上。研究组与中科院动物研究所开展了联合实验研究,实现了对螨虫和昆虫跳器的彩色三维光切片成像,为该方面的研究提供了有力的技术支持。同时对微电子芯片及硬币表面结构进行了大视场彩色三维成像,推动了SIM技术在三维物体表面形貌测量方面的应用。

  三维成像与测量技术是目前国内外光学领域一个重要的研究方向,已嵌入到了现代工业与文化创意产业的整个流程。该研究取得的成果使西安光机所在三维显微成像方面掌握了核心技术,该技术通过与生物医学、材料化学、精密制造等学科的交叉合作,将大大提高我国在该领域的研究水平,具有广泛的应用前景。

     螨虫(a)和跳甲跳器(b)的彩色三维图像  

 

     数字微镜器件芯片的彩色三维图像
 

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