中科院量子光学重点实验室

研究方向4:生物光学关联层析成像技术及应用

更新时间:2021-08-25 【打印】 【关闭

本研究方向学术带头人:刘红林副研究员 

1. 研究队伍情况:

课题小组成员:刘红林副研究员(组长)、韩申生研究员 、尹玲工程师、湛英工程师

博士研究生:王歆、高敬敬

硕士研究生:陈美君、甘雨      

 刘红林  2004年本科毕业于中国科学技术大学近代物理系,2009年获中科院上海光学精密机械研究所博士学位,2009-2011年在美国Washington University in St. Louis从事博士后研究。现任上海光机所副研究员,研究方向包括光在生物组织、光纤等散射介质内的输运,发现并解释新的物理特性,研究透过散射介质成像和操控的新方法和新技术,并拓展其在生物光子学方向的应用。在国际知名期刊Nature photonicsPhotonics Research等杂志上发表研究文章30多篇。            

2. 课题简介:

由于光在生物软组织内传播时要经历多次散射,无法像自由空间用透镜或者其他简单的光学元件进行聚焦和成像。因而组织内的光学调控、聚焦和高分辨成像一直是人们亟待解决的问题。2011年课题组长刘红林在博士后工作期间,利用汇聚的超声调制散射介质内的可见光,并在介质外用光折变晶体记录调制光波前,并对记录的调制波前进行相位共轭,从而实现了时间反演使得相位共轭波前回到超声焦点,实现了散射介质内无损动态的光学聚焦(Nature Photonics 5154-1572011)。 近年来,课题组聚焦于透过散射介质的光学成像和操控的新方法和新技术,建立了光场在散射介质内传播的模型,统一了光学记忆效应和空间平移不变性,扩大了散斑自相关成像的视场,实现了透过散射介质的无损实时定位和绝对尺度度量;基于数字式光学共轭实现了通过散射介质的无损聚焦、投影和成像。为生物软组织内部的成像、光疗、光遗传学和光化学研究提供了强有力的工具。相关研究工作发表于Photonics Research等国际知名期刊上。为了解难以透过厚散射介质成像的问题,课题组首次构建了散射信道,从信道传递效率的角度研究透过散射成像,为解决该问题提供了全新的研究途径。

利用新构建的散射介质模型,我们可以追踪光波前在散射介质内传播的变化过程,模拟中弹道光能量随厚度的衰减和能量包络随厚度的变化与物理定律和Monte Carlo模拟的金标准非常吻合,证明新的散射介质模型能够非常准确模拟光场在随机散射介质内的变化过程。图1给出了模型的基本结构和模拟结果。近十年来光学记忆效应一直是研究的热点,基于我们建立的记忆效应的物理图像,我们提出了一种简单有效地扩展记忆效应范围提高成像视场的方法,即空间滤波。基本原理如图2所示。图3给出了我们利用数字式相位共轭镜进行波前相位共轭抑制散射从而实现通过鸡胸肉的直接成像和投影结果。

 图1. 光场在散射介质内传播的模拟模型及其与Beer定律和Monte Carlo光子输运模拟的对比。 

2. 空间滤波扩大记忆效应范围和成像视场的实验排布和结果。

3. 无损数字相位共轭反演聚焦、投影和成像的实验示意图和结果。(2)成像和投影视场随补偿面的变化。(3)不同目标下的成像和投影结果。

透过散射介质的光学分辨率成像经过十多年的高速发展,基于薄的散射层,如毛玻璃、ZnO粉末涂层、生物组织切片等,相位共轭、波前整形、散射矩阵测量等方法都通过了原理验证,但一旦超出光学扩散极限,所有这些方法都失效。透过厚散射介质成像仍是一个悬而未解的问题。我们构建了随机小孔模型等效散射介质,即把散射介质看作大量随机分布的相位或振幅小孔的集合,散斑是小孔像的叠加,首次给出了一种散射信道模型以及信息在散射信道中的传递方式。

4. 散射介质随机小孔模拟结果。(a)模拟实验结构。(b-d)、(e-g)、(h-j)和(k-m)分别给出了不同小孔屏、对应散斑分布和从散斑重构的像。  

3. 研究影响:

国际上散射成像一直以来都是研究的热点,在生物组织研究和临床上有着广泛的潜在应用。我们的研究一直保持在国际先进水平。其中空间滤波扩展记忆效应范围的相关工作phy.org进行的专门介绍推广https://phys.org/news/2020-03-scientists-memory-effect-range-spatial.html

关于散斑拼接解决遥感成像模式下探测器有限探测面积的方法被Chinese Optics Letters选为editors’ pick进行了专门介绍。

4. 研究目标: 

     探索透过生物组织、多模光纤等散射介质成像和操控的新现象和新方法,实现集模式识别、定位和绝对尺度度量三位一体的透过生物组织的成像和操控,并要求实时无损,为组织内的光学诊断、光遗传表达、精准治疗和脑功能研究提供有力的研究工具和平台。