JPhys Photonics编辑优选：采用可编程LED阵列照明和定量相位相机的光学衍射层析（LED-ODT）
文章介绍
Yan Li（李炎）, Yuge Xue（薛雨阁）, Ruihua Liu（刘瑞桦）, Yingjie Feng（冯英杰）, Jian Liang（梁健）, Chen Bai（柏晨）, Tengfei Wu（吴腾飞）, Liming Yang（杨力铭）, Xianghua Yu（于湘华）, Xiaohao Xu（徐孝浩）, Kai Wen（温凯）, Peng Gao（郜鹏）, Taiqiang Dai（戴太强）, Liang Kong（孔亮）, Junwei Min（闵俊伟） and Baoli Yao（姚保利）
通讯作者：
- 闵俊伟，中国科学院西安光学精密机械研究所
- 姚保利，中国科学院西安光学精密机械研究所
研究背景：
三维显微成像在生物医学研究中至关重要。传统的荧光显微技术虽然能提供高对比度、分子特异性信息，但存在光漂白和光毒性问题，阻碍了对活细胞正常生理活动的长时程观察。光学衍射层析成像（Optical diffraction tomography，ODT）作为一种无标记三维成像技术，能够定量重构样本的三维折射率分布，应用前景广阔。然而，目前大部分ODT系统采用马赫-曾德尔等光学干涉结构，使用激光光源照明，需要机械扫描或旋转组件，系统复杂且易受环境扰动。新兴的计算成像方法虽然简化了硬件，但通常需要复杂的非线性迭代算法和多帧图像，计算负担重。
该研究旨在开发一种结构简单、成本低廉、操作便捷且成像高效的新型ODT系统，以克服上述瓶颈，推动ODT技术从专业研究工具向通用生物医学仪器普及。
研究内容：
LED-ODT系统以普通商用明场显微镜为基础，仅需将原照明单元替换为15×15可编程LED阵列，并使用团队自主研发的基于正交偏振复用剪切干涉术的定量相位相机Q-camera作为探测器。通过对每个灯珠单次曝光下记录的网状干涉图进行反演计算，重构出该照明角度下的强度和相位分布。依次点亮225个LED灯珠，获取225组不同照明角度下的复振幅信息。基于傅里叶衍射定理，将这些信息映射到三维傅里叶空间，合成完整频谱后通过三维逆傅里叶变换重构出样本的散射势函数，最终计算得到被测目标的三维折射率分布（如图1）。
图1. LED-ODT系统的结构及其工作流程示意图
使用该系统成功对未染色COS-7细胞内的脂滴（Lipid Droplets, LDs）进行了观测，并对其数量和尺寸进行了统计分析，展示了LED-ODT在无标记脂质代谢研究中的潜力（如图2）。此外，还对水化后的胖大海种子进行了三维成像，揭示了其内部因吸水膨胀和多糖释放导致的折射率分布异质性（如图3）。
图2. COS-7细胞的三维折射率重建结果
图3. 浸水胖大海种子的三维折射率重建结果
LED-ODT仅需对普通明场显微镜进行照明单元替换，无需空间光调制器、数字微镜器件以及电调谐透镜等昂贵器件，整体外观和观测操作与常规显微镜几乎一致，极大降低了系统复杂度、成本与操作门槛。通过融合干涉式ODT的高精度、共路ODT的高稳定性与强度式ODT的硬件简洁性，为无标记三维定量显微成像提供了一种兼具实用性和鲁棒性的高性能无标记定量三维成像工具。
作者介绍
闵俊伟 研究员
中国科学院西安光学精密机械研究所
- 闵俊伟，中国科学院西安光学精密机械研究所研究员、博士生导师，中国科学院青年创新促进会优秀会员、陕西省青年科技新星。长期从事光学三维成像、新型干涉测量技术等研究，在Optica、Optics Letters、Journal of Optics等国内外学术期刊发表论文60余篇，获授权发明专利8项。获陕西省自然科学奖二等奖、陕西省科学院科学技术奖一等奖等奖项。
姚保利 研究员
中国科学院西安光学精密机械研究所
- 姚保利，中国科学院西安光学精密机械研究所研究员、博士生导师。长期从事超分辨显微成像、光学微操纵、定量相位成像、光场调控等研究，在新型结构光照明显微成像、激光光镊、数字全息三维显微等方面取得系列创新成果。在PNAS、Nature Communications、Science Advances、PRL等国内外学术期刊发表论文340余篇，出版专著章节7部，授权发明专利30项。获陕西省科学技术一等奖2项、二等奖2项、中国科学院王宽诚西部学者突出贡献奖、日本高速成像奖等多项奖励和荣誉。
期刊介绍
- 2025年影响因子：4.7 Citescore: 7.3
- JPhys Photonics（JPPHOTON）是一本新出版的开放获取期刊，面向物理学中应用于光子学各个领域的高质量研究。期刊包含光子学研究中最重要和最激动人心的进展，着重关注跨学科和多学科的研究。涵盖领域包括：生物光子学和生物医学光学；能源和绿色技术应用，包括光伏；成像、检测和传感；光物质相互作用；光源，包括激光器和LED；纳米光子学；非线性和超快光学；光通信和光纤；光数据存储；光电子学、集成光学和半导体光子学；光子材料、超材料和工程结构；等离子体技术；传播，相互作用和行为；量子光子学和光学等。