2月18日出版的美國光學學會(hui) 旗下期刊Optics Express 同時刊登了中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與(yu) 光子技術國家重點實驗室姚保利研究組的三篇研究論文。 

在第一篇題為(wei) Large-scale 3D imaging of insects with natural color 的文章中，研究人員實現了大尺寸昆蟲自然色三維高分辨率定量成像。經過億(yi) 萬(wan) 年的進化，生物結構非常複雜與(yu) 精巧，並承載了多樣的功能和迷人的景象。生物結構在不同尺度、不同維度和不同部位的觀察與(yu) 形態分析，為(wei) 科學研究結果提供最直接的證據，在眾(zhong) 多學科領域扮演著不可或缺的角色。目前高分辨率三維成像技術已經在生物學領域有了廣泛的應用，並推動著生物學研究不斷取得新的進展。但是已有的技術與(yu) 研究工具還存在一些不足，比如對大樣品進行三維成像時數據量大且耗時，高分辨率與(yu) 大成像視場難以同時滿足，樣品自然色彩難以獲取等。因此，尋找一種能夠對昆蟲進行快速三維成像，並獲得其高分辨形貌信息和色彩信息的設備，就成了昆蟲分類學家和相關(guan) 研究領域的迫切需要。

為(wei) 了解決(jue) 這些問題，課題組在前期工作的基礎上，與(yu) 中科院動物研究所合作，通過對彩色結構照明光學成像係統和相關(guan) 算法進行改造升級，克服了已有三維成像方法的缺陷，大大提升了係統的光能利用率和照明均勻性，使得成像係統在高分辨率、大尺寸、三維、快速、全彩色和定量分析等六大成像要素上均得到有效提升。該研究對大尺寸昆蟲的高分辨三維定量分析具有重要的參考意義(yi) ，同時為(wei) 昆蟲結構色的研究提供了新的技術手段，在進化生物學、仿生學、分類學、功能形態學、古生物學和工程學等領域具有廣泛的應用前景。

在第二篇題為(wei) Real-time optical manipulation of particles through turbid media 的文章中，研究人員主要實現了透過散射介質後對微粒的實時光學微操縱。2018年諾貝爾物理學獎的一半授予了光鑷的發明人Arthur Ashkin，在那裏激光捕獲和操縱微粒是在透明和無散射介質中進行的。而當光學係統中有散射介質存在時，成像目標難以在像麵清晰呈現，激光也難以聚焦成為(wei) 一個(ge) 焦點。目前有多種方法來克服散射的影響，其中最常用的方法是利用光場調控器件和相應的優(you) 化算法對經過散射介質後的光場進行調控。遺傳(chuan) 算法具有收斂速度快、抗噪聲能力強的優(you) 勢已經被廣泛應用於(yu) 散射介質後的光場聚焦和成像，然而遺傳(chuan) 算法在實際應用中依然存在一些問題，比如隨著優(you) 化的進行，其收斂速度逐漸變慢，噪聲對最終聚焦結果影響較大，優(you) 化結果受探測器動態範圍限製等。近年來，隨著相關(guan) 技術的成熟，已有研究者將波前矯正技術和光學捕獲結合，實現利用散射光場對微粒的捕獲，但是此類技術在散射介質後產(chan) 生的聚焦光場質量不高，而且無法實現在散射介質後特定目標點對微粒的捕獲，也無法在散射介質後沿特定路徑對粒子進行操控，靈活性以及應用場合受到限製。

為(wei) 了實現對經過散射介質後光束的高質量聚焦並將其應用於(yu) 實際，該文提出了一種相間分區域波前校正方法，實現了入射光經過散射介質後單點和多點的重新聚焦。將該方法和光鑷技術結合，可以對散射介質後單一粒子和多個(ge) 粒子的同時捕獲，並且可以實現在散射介質後某一平麵內(nei) 沿特定軌跡對微粒的操縱。與(yu) 傳(chuan) 統遺傳(chuan) 算法相比，該方法具有收斂速度快、聚焦強度高、對探測器動態範圍需求小的優(you) 點，大大提高了光經過散射介質後的聚焦效果，不僅(jin) 可以應用於(yu) 光學微操縱，而且可以應用於(yu) 其它相關(guan) 領域，為(wei) 散射介質後的物體(ti) 成像、深層樣品熒光顯微成像以及散射介質後的光場調控提供了有效手段。

在第三篇題為(wei) Three-dimensional space optimization for near-field ptychography 的文章中，研究人員實現了近場疊層成像術的三維空間優(you) 化。疊層成像術（Ptychography）是一種無透鏡的相幹衍射成像技術，擁有大視場、高分辨和定量相位的優(you) 勢。通過記錄多幅交疊的衍射圖像，利用交疊區域的數據冗餘(yu) 和先進的相位恢複算法，能恢複出物體(ti) 的透射率函數分布、分解相幹態以及校準係統誤差。這一無透鏡的成像方法已經成功應用於(yu) 可見光、電子波段和X射線波段。然而，疊層成像術在實際應用過程中依然存在一些限製，比如在針對三維厚樣品成像時，其厚度是未知的，傳(chuan) 統成像方法是盡可能減小對樣品每一層的成像厚度，這就增加了成像的層數，而且該方法隻適用於(yu) 連續樣品，對於(yu) 離散的有著非均勻空間分布的樣品則可能會(hui) 出現偽(wei) 影，額外的空白層也會(hui) 降低圖像質量。

該文提出一種基於(yu) 遺傳(chuan) 算法的三維疊層成像算法（GA-3ePIE），可同時優(you) 化層數與(yu) 層距，並且適用於(yu) 近場三維疊層成像術。相比於(yu) 遠場，它可以使用更少的圖像重構相同大小的視場，而且對光源相幹性以及探測器動態範圍要求更低。通過分析發現，隨著交疊率和采樣率的提升，可恢複層數變多。該算法也能被推廣到X射線及電子波段領域，同時也可以用於(yu) 其它計算成像技術，如傅裏葉疊層顯微成像術。