基于光学相位共轭的数字化波前整形技术（特邀）

光在生物组织中传播时,会被微观尺度上不均匀的组织随机散射,这种现象严重制约了光学技术在生物医学中的应用。波前整形技术将散射过程当成一个确定性的过程,通过测量散射效应造成的相位延迟并利用空间光调制器进行逐点补偿,可以实现散射光的操控与重新聚焦。在各类波前整形技术中,基于光学相位共轭的数字化波前整形技术具有可调控自由度高、系统响应速度快等优点,最适宜与生物医学应用相结合,如生物活体成像、操控、治疗等。文中将重点关注基于光学相位共轭的数字化波前整形技术的发展,探讨该技术在应用研发中面临的主要技术瓶颈和挑战,并概述其应用开展情况。     

自适应光学技术在深层动态荧光显微成像中的应用和发展

荧光显微成像技术是开展微观生命科学研究的重要手段和工具,使用该技术可以观察生物体内的精细结构、动态追踪生物体内组织、细胞、细胞核、蛋白、小分子等不同尺度的生命活动过程。其中,研究深层组织高时空分辨率荧光显微成像技术,是当前成像领域一个前沿问题。应用自适应光学技术实时补偿经由不透明散射、非均匀生物组织传播而引入的复杂波前畸变已被证实是实现上述技术的一种有效途径。文中首先归纳了深层动态荧光显微成像的需求和特点,随后分别介绍了自适应光学技术近几年在共聚焦显微成像、随机光学重构显微成像、光激活定位显微成像、受激辐射光淬灭显微成像、双光子/多光子激发显微成像中的相关应用,并对今后的研究问题和发展方向提出展望。     

自适应光学高分辨率共聚焦显微成像技术

生物样品折射率的空间变化导致了光学畸变的产生,这种畸变对于共聚焦显微镜观察厚的生物样品和活体体内组织成像是一种严重的限制。自适应光学(AO)技术是通过快速反应的变形镜使镜面发生形变来补偿像差,在共聚焦显微镜中应用自适应光学技术可以校正光学畸变,观察深层组织活动,进行活体成像和实时检测。详细分析了共聚焦显微镜中像差的来源及光学畸变的特点,讨论了目前在共聚焦显微镜中自适应光学校正的方案及研究现状,讨论了共聚焦显微镜中自适应光学的波前传感器、畸变测量和波前校正器,并探讨了目前超高分辨率显微成像技术的发展方向。     

近红外二区共聚焦显微技术的进展及应用（特邀）

共聚焦显微镜具有较高的空间分辨率和信号背景比,能对生物样品进行三维层析成像,在医学与生物学领域有着广泛的应用。近红外二区（NIR-II,900~1 880 nm）波段的光在生物组织中具有适中的吸收、较低的散射,以及非常弱的生物组织自发荧光,因此,NIR-II荧光活体成像具有大深度、高对比度等优势。点激发、点探测的NIR-II共聚焦显微技术结合了上述二者的优势,在大深度生物成像中具有高空间分辨率和高信号背景比等优点,因此在生物医学领域得到了广泛应用。此综述将从NIR-II共聚焦显微技术的原理出发,阐述其发展进程、以及基于此项技术开展的生物医学成像应用,探讨NIR-II共聚焦显微技术未来的改进和发展方向。     

计算光学成像在散射中的应用

自然界中普遍存在光散射现象。如何通过散射介质实现高分辨率成像是光学成像领域亟待解决的重要问题。在早期研究中,多重光散射被认为是雾霾、云层、生物组织等复杂介质成像中的障碍。然而,最近研究表明,散射并不是成像的基本限制:光子在经过多次散射后仍然包含了大量信息。为了深入了解新兴的计算光学成像是如何解决多重光散射问题的,文中主要介绍了波前整形、散斑相关及深度学习等方法在散射成像领域中的研究进展。最新的研究成果表明:波前整形可以实现动态散射介质内部的高分辨率快速聚焦;散斑相关能够利用单帧散斑实现非侵入式成像;基于深度学习的成像技术能恢复出隐藏在光学厚度为13.4的白色聚苯乙烯平板背后的物体。     

激光光束经过不透明散射介质的聚焦

由于多重散射的影响,当激光光束经过散射介质(例如牛奶、生物组织等)之后将形成散斑。如何调制激光光束,使其经过散射介质之后能实现有效地聚焦是一项具有重要意义的研究工作。研究了利用空间光调制器和连续顺序反馈优化算法对入射光波前进行相位调制,从而实现了激光光束经过散射介质的有效聚焦,得到的最大光强增长因子为50.6139。还研究了空间光调制器上的总调制单元个数、每个调制单元的相位精度对光强增长因子的影响。实验研究结果表明,目标位置处的光强随着总调制单元数的增加而增加,并且随着调制单元的相位精度的增加而增强。     

新的生物医学成像技术——光学相干显微术及其应用

光学相干显微术是一种新的成像技术，它能对高散射介质，如生物组织进行非介入的快速成像，其分辨率远大于Ｂ超，因而在活体生物组织的微结构分析和疾病诊断方面有重要的应用价值。     

AO算法改善波前整形技术

光场调控中的波前整形技术解决了相干光透过无序散射介质聚焦问题,以迭代优化方法简化实验装置,以达到加强对漫射光的控制目的。引入AO算法对入射波前进行处理,实现对波前整形技术的改善。实验中进行了与标准粒子群算法(PSO)、灰狼算法(GWO)这类群体智能优化算法的比较,AO算法改善后的波前整形技术具备更佳光学聚焦能力。研究表明,与标准粒子群算法和灰狼算法相比,经过AO算法改善后波前整形技术可得到更高的目标光强值,取得更好的散斑聚焦效果。     

浴帘效应的模型发展及应用扩展（特邀）

散斑（自）相关和波前调制等成像技术是克服非均匀介质散射影响的高效并重要的光学成像手段。而该类技术依赖于光学记忆效应,因此视场有限且动态介质会退化其成像质量。浴帘效应是一种常见且不受散射介质动态变化和视场限制的效应。近年来,随着多种计算成像技术的发展,浴帘效应也被融合到其他克服散射的成像恢复技术中并应用于不同散射成像场合,已经展现出相较传统散射成像技术的独特优势。文中概括浴帘效应的物理模型演变,从调制传递函数出发,综述光学厚度、孔径大小等因素对浴帘效应的影响,介绍浴帘效应和傅里叶域浴帘效应在散射成像领域的应用。讨论傅里叶域浴帘效应与其他基于相位迭代算法成像技术的区别与联系,展望其与其他计算成像技术结合的可能。     

强散射介质的共焦取像方法研究

近年来，随着激光器和探测器技术的飞速发展，推动了非破坏性的红光和近红外光生物医学成像的发展，这些研究最多的集中在采用时间域或频率域的测量方法，探测生物组织和生物组织模型的吸收和散射系数的变化．由于频率域测量有超过时间域测量的优点；迅速的数据采集时间，可以监控组织的动力学过程，特别是轻便的和紧凑的小型仪器设备，适于在床边使用，以及成本低廉，更适于在我国推广使用，本文研究了强散射介质（生物组织是典型的强散射介质）的强度调制（频率域）扩散光子密度波取像方法．一束强度调制光射人密度无序（强散射）介质，伴…     

光学相干层析术及其应用

光学相干层析术是一种新型的对活体组织进行非侵入的光学诊断成像技术。它将低相干干涉仪与共焦扫描显微术结合在一起，去掉物镜焦点之外的散射光，利用高灵敏度的探测技术，实现在光散射介质如生物组织中获得清晰的分层图像。     

生物医学光声显微成像:技术和应用进展

光声成像兼具光学成像对比度高和超声成像在深层生物组织中分辨率高等优点,是近年来迅速发展起来的一种生物医学成像模态。光声显微成像(PAM)是光声成像的一种重要实现方式,利用其可以无创提供活体生物组织结构和功能信息的优点,研究人员已开展了临床前和临床应用研究。为了使不同领域的研究人员了解这一快速发展的成像技术,本文综述了光声显微成像的发展现状、最新技术和研究进展。文章首先介绍了PAM的基本原理和典型的系统实现,然后概述了包括空间分辨率、成像深度、扫描方式、信号探测手段和多模态成像等方面的重要研究进展,接着阐述了PAM在生物医学领域的应用现状,最后总结了其未来发展面临的挑战。     

深组织光片荧光显微成像研究进展（特邀）

随着生物医学研究对复杂组织结构和功能的深入探索,高分辨率、高信噪比的深组织成像技术变得愈加重要。传统的显微镜技术往往局限于二维、透明的生物薄样本的观测,这在很大程度上无法满足当前生物医学领域对三维深组织体成像的研究需求。光片荧光显微镜凭借其低光损伤、高采集速率、大视场、体成像等优点被生物学家广泛使用。然而,生物组织固有的高散射特性仍然为深层成像带来了巨大的挑战。本文重点介绍了光片荧光显微成像技术在深组织成像领域的最新进展,特别是应对高散射样本挑战的解决策略,旨在为相关领域的研究人员提供有价值的参考,助力其对该前沿技术的最新进展和应用前景的理解。首先,阐述了光片荧光显微镜的基本原理和高散射吸收特性的形成原因及影响;然后,进一步阐明了增加组织穿透深度、应对光散射和吸收等问题的最新进展;最后,探讨了具有大穿透深度和强抗散射能力的光片荧光显微成像技术的发展前景以及潜在应用。     

Chinese Optics Letters(《中国光学快报》)“生物光子学”专题征稿启事

光学技术给生物医学成像、传感以及诊断学领域带来了重大变革,并产生了巨大影响.例如,内窥式激光共聚焦显微镜、光学相干层析技术(OCT)等光学成像技术为生物组织提供了高分辨率的三维影像;而各种光学传感技术也被应用于生物医学中提供高灵敏度的痕量气体分析和化学分析.Chinese     

微片激光器移频回馈成像技术及其应用

微片激光器移频回馈成像技术是一种新兴的相干光成像技术,具有灵敏度高、相位可测量、系统结构简单等特点。该项技术可与共聚焦成像、超声调制光学成像、光学合成孔径成像等多种成像技术相结合,在微器件结构测量、生物组织成像、强散射成像等多个领域得到了应用。文章概述了激光器回馈技术的发展过程,详细介绍了微片激光器移频回馈成像技术的理论模型、研究进展及应用情况,并对该技术存在的问题进行了分析。     

基于相位共轭实现散射成像及光学幻像的双功能散射光调控方法（特邀）

近年来，人们对散射光调控的研究取得了极大的进展，产生了许多有趣的应用。其中透过散射介质的成像和光学幻像是两个极为引人注目的方向，但它们不经常同时被研究。文中将深入探索散射光成像和光学幻像的内在联系，在此基础上提出一种新颖的双功能散射光调控方法以在同一实验装置中根据需求实现散射成像和光学幻像。通过优化光路，结合相位恢复技术检测散射波前，利用相位共轭技术和高分辨率的纯相位液晶空间光调制器可以实现补偿散射的影响或实现特定衍射波前的产生。该系统只需要数秒即可完成散射光调控，因此可以对变化缓慢的散射环境实现动态散射成像或对缓慢变化的物体实现稳定的动态光学幻像。理论分析和实验演示证实了该调控方法的可行性。这一散射光调控方法有望在浑浊介质中的光学成像、光学伪装、反侦察、复杂光场调控等领域找到潜在的应用。     

相干拉曼散射显微技术及其在生物医学领域的应用

相干拉曼散射显微技术作为一种新型的成像技术,具有无标记、高特异性、非侵入等优点,已被广泛用于化学结构及物质成分分析。近年来,光子学、生物医学和显微成像技术等领域的相互交叉和融合发展,极大地推动了相干拉曼散射显微成像技术在生物医学领域的应用。简要介绍了相干拉曼散射显微成像的基本原理、分类、系统构成,同时概述了相干拉曼散射显微成像技术近年来在生物医学领域的应用,包括检测、脂类分析和蛋白质构象变化等,最后对其未来发展进行了展望。     

三维拉曼显微成像技术研究进展（特邀）

拉曼显微成像技术无需样本制备,具有无损、无创、对水溶液不敏感的优点,可在微米或纳米尺度下表征样本的生化组分及分布,成为生命科学领域重要的研究工具。随着对复杂生物样本研究的不断深入,拉曼显微成像也被期待能够实现对生物样本中的分子组成与分布的动态立体观测。首先,系统性地梳理近年来三维拉曼显微成像技术的研究进展,包括基于自发拉曼散射、相干拉曼散射、表面增强拉曼散射以及拉曼标签的不同三维成像方法的技术手段、改进策略与实验结果。然后,总结了不同成像技术在细胞生物学、发育生物学等方面的应用进展。最后展望了不同三维拉曼显微成像技术在生物医学光学显微成像技术应用中所面临的挑战和发展前景。     

光学相干层析技术及其在生物医学中的应用

基于光学低相干反射测量而发展起来的光学相干层析技术（Optical Coherence Tomography,简称OCT）是一种新型的成像技术,它能对高散射介质如生物组织实施非侵入性的快速成像,因而在体生物组织的微结构分析和疾病诊断等方面有重要应用。本文概述了OCT技术在医学临床领域的应用,存在的问题,以及市场前景。     

高散射介质参数对超短脉冲激光传输的定量影响

近年来，研究无辐射损伤的生物组织光学成像方法和技术引起了国内外的重视．生物组织是由不同大小、不同成分的细胞组成的高散射介质，光在这种介质中传输时将产生散射和吸收．超短脉冲激光在离散射介质中传输时，将因漫散射使脉冲展宽，这是脉冲光与散射吸收体相互作用的统计反映，因此漫反射、漫透射光中也必然含有介质光学特性的信息．通过研究散射光的时间行为，将可能间接获得介质内部非均匀性的空间位置信息，从而对介质中的散射吸收体（如生物组织中的肿瘤等）成像．红光与辽红外光人射到高散射介质后，在其内部主要以漫散射光的形式…