日前，哈爾濱工業大學物理學院王健副教授在最新一期國際光學權威期刊《光學》(Optica)上以“艾里光束層析成像顯微鏡”(Airy-beam Tomographic Microscopy)為題發表最新研究成果，提出一種基於艾里光場的新型無掃描、高分辨、三維顯微成像技術ATM，並成功應用於生物細胞成像。

《光學》(Optica)是美國光學學(OSA)的旗艦期刊，王健副教授是論文第一作者和共同通訊作者。

高斯分佈光場經過頻域調製後可以產生具有無衍射、自修復、自加速特性的艾里光束。光束的無衍射特性有助於提升光學成像的分辨率；自修復特性可降低光束透過介質的散射影響，提高成像信噪比；自加速特性可實現光束在自由空間的橫向自彎曲傳播。將上述特性綜合應用，該團隊提出一種獨特的基於二維投影圖像重建的三維顯微成像方法ATM(見圖1)，僅通過改變調製器上的圖案，即可以重建高分辨三維目標圖像，無需機械掃描。

圖1 ATM成像原理

ATM成像過程包括艾里光束的傳播調控、PSF調控以及投影重建算法等多項創新技術，通過頻域的Chirp處理增大焦面單側方向的傳播距離，抑制光束旁瓣對成像分辨率的影響。粒子成像實驗表明，在40倍物鏡下該技術的橫向分辨率為400-700nm，深度分辨率1-2微米。文章中利用該技術對小鼠腎細胞中的腎管和腎小球進行了觀測(見圖2)，相比於傳統z掃描成像技術，ATM技術具有信噪比高、無需機械掃描即可實現深視場(10微米以上)成像等優勢。結合艾里光束三維重建成像算法，ATM橫向分辨率接近光學衍射極限，深度方向實現超分辨。該技術有望在其它三維成像技術中獲得應用。

圖2 (a)腎管的傳統z掃描成像；(b)腎管的ATM成像；(c)、(d)腎管ATM成像三維結構圖和切面圖；(e)腎小球的雙色z掃描成像(上568nm；下488nm)；(f)腎小球的雙色ATM成像(上568nm；下488nm)；(g)雙色合成圖像；(h)圖(g)中管狀結構放大圖；(i) 、(j)、(k)管狀結構三個維度的半高寬圖。