近日，中國科學院西安光機所瞬態光學研究室在透過散射介質光學顯微成像領域取得新進展，研究成果發表于Journal of Physics: Photonics。論文共同第一作者為西安光機所彭彤副研究員和李潤澤助理研究員，通訊作者為西安光機所但旦研究員和姚保利研究員。
光學顯微成像技術憑借非侵入、無損傷的獨特優勢，是生命科學研究中洞察微觀生命活動的核心工具。然而，生物組織內部折射率分布極不均勻，光線穿過時會發生嚴重的散射與波前畸變，如同隔著多層磨砂玻璃觀察微觀世界，不僅導致成像模糊，更極大限制了觀測的穿透深度。現有的散射補償技術普遍存在系統復雜、計算量大且依賴標記等問題。傳統透射顯微技術難以同時校正照明與探測路徑波前畸變，而波前整形雖可實現散射介質光場聚焦，但受限于聚焦光斑尺寸較大，導致分辨率受限。
圖1 通過波前整形與圖像掃描顯微實現多層散射介質高分辨率成像的原理
對此，研究團隊創新性地提出無導星雙向波前校正成像技術。該技術以樣品反射光作為反饋信號，通過單一空間光調制器同時對入射照明光與返回探測光路的波前畸變進行補償，實現非侵入、無需熒光標記的光學重聚焦。
該技術將波前整形與圖像掃描顯微技術融合，在實現散射聚焦的基礎上進一步壓縮聚焦光斑尺寸，通過逐步增加調控單元數量的校正策略及分層散射補償機制，在保證精度的同時大幅提高了計算效率。
實驗結果表明，該技術在總光學厚度1.82的三層散射介質中實現了高質量聚焦；進一步結合像素重分配與去卷積處理，系統分辨率相較于單純散射校正提升了約1.76倍。
圖2 透過散射介質的分高分辨成像結果
該技術解決了光學顯微成像中照明與探測路徑散射畸變難以同時補償的問題，為生物組織深層高分辨成像開辟了新途徑，未來有望應用于生物醫學檢測等領域。
彭彤介紹，“生物組織對光的散射是制約光學顯微實現深層、清晰成像的主要障礙。我們通過對光場的精確調控，讓散亂的光線恢復有序，有效化解了光線傳輸路徑上的干擾難題，實現了從‘看不見’到‘看得見’再到‘看得清’的突破。”
研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、陜西省重點研發計劃等項目的支持。
西安光機所姚保利研究員團隊近年來在透過散射介質成像和光學顯微成像領域進行了深入研究并取得了系列進展，包括透過動態散射介質成像、透過散射介質的非侵入顯微成像以及雙光子自適應光學成像等。相關研究成果發表于Nanophotonics、Photonics Res.、Appl. Phys. Lett.、Opt. Express等期刊。
