日前，Nature旗下的Scientific Reports 刊登了中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利研究組題為Full-color structured illumination optical sectioning microscopy 的研究論文。
眾所周知，色彩（光譜）信息是描述物體特征的一個(gè)重要物理量。三維物體彩色層析成像技術(shù)是獲取物體表面形態(tài)特征的重要手段，也是真實(shí)物體三維數(shù)字化的基礎(chǔ)。以激光共聚焦掃描顯微鏡為代表的點(diǎn)掃描顯微成像技術(shù)具有三維層析成像能力，但是逐點(diǎn)掃描整個(gè)三維樣品需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而且視場(chǎng)很小，目前僅應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)顯微成像領(lǐng)域。條紋投影法和白光相移干涉法是較為成熟的三維物體表面成像與測(cè)量技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用，這兩種技術(shù)結(jié)合三維貼圖技術(shù)（3D mapping）都可以近似得到三維物體的表面顏色信息，但是貼圖技術(shù)的缺點(diǎn)是圖像畸變大而且分辨率不高。同時(shí)，受到相位解包裹算法的限制，條紋投影法和白光相移干涉法對(duì)于表面具有復(fù)雜和突變結(jié)構(gòu)的物體都不適用，而類似的復(fù)雜結(jié)構(gòu)又是常見(jiàn)的（例如動(dòng)物的毛發(fā)、機(jī)械工件的表面毛刺、植物的葉片等）。結(jié)構(gòu)光照明顯微（SIM）是一種特殊照明方式的寬場(chǎng)成像技術(shù)，經(jīng)過(guò)特定算法的解算和重構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)三維光切片成像，并且能夠精確解析樣品表面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。但目前所有的SIM都是單色的，另外，受顯微物鏡視場(chǎng)大小的限制，SIM技術(shù)目前也僅應(yīng)用于微觀領(lǐng)域。
西安光機(jī)所姚保利研究組自2010年開(kāi)始SIM技術(shù)研究以來(lái)，開(kāi)展了深入細(xì)致的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字微鏡器件（DMD）和LED照明的SIM技術(shù)（Scientific Reports 2013，國(guó)家發(fā)明專利ZL201110448980.8）。在本次發(fā)表的研究論文中，通過(guò)使用彩色CMOS相機(jī)記錄白光或多色結(jié)構(gòu)光照明獲得的光切片圖像，對(duì)傳統(tǒng)光切片SIM技術(shù)采用的均方根層析算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于HSV彩色空間的彩色解碼算法（已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利），獲得了物體高分辨率彩色三維圖像。結(jié)合三維多視場(chǎng)數(shù)據(jù)自適應(yīng)融合技術(shù)，解決了對(duì)介觀物體（亞毫米到毫米量級(jí)尺寸）顯微成像時(shí)，由于顯微物鏡視場(chǎng)有限，無(wú)法一次獲得整個(gè)物體高分辨三維圖像的問(wèn)題，視場(chǎng)范圍達(dá)到了2mm2以上。研究組與中科院動(dòng)物研究所開(kāi)展了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)螨蟲(chóng)和昆蟲(chóng)跳器的彩色三維光切片成像，為該方面的研究提供了有力的技術(shù)支持。同時(shí)對(duì)微電子芯片及硬幣表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大視場(chǎng)彩色三維成像，推動(dòng)了SIM技術(shù)在三維物體表面形貌測(cè)量方面的應(yīng)用。
三維成像與測(cè)量技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外光學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向，已嵌入到了現(xiàn)代工業(yè)與文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的整個(gè)流程。該研究取得的成果使西安光機(jī)所在三維顯微成像方面掌握了核心技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)與生物醫(yī)學(xué)、材料化學(xué)、精密制造等學(xué)科的交叉合作，將大大提高我國(guó)在該領(lǐng)域的研究水平，具有廣泛的應(yīng)用前景。
螨蟲(chóng)（a）和跳甲跳器（b）的彩色三維圖像
數(shù)字微鏡器件芯片的彩色三維圖像
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