从美苏冷战到微观世界——自适应光学在超分辨显微成像技术中的应用

封面解读

 

封面描述了一个虚构故事，阿基米德组织叙拉古城的妇女和孩童每个人手拿镜子，点燃了罗马的帆船。画面中，每个人手拿一个镜子，类比三体的人列计算机，变成了一个大的自适应光学系统，完成细节的观测。作者所在团队X-Lab实验室将在“微观荧光细胞”的研究海洋中远航。目镜后一半模糊一半清晰是因为超分辨显微镜使用技术（STED或自适应光学技术），将原本模糊的微观结构清晰化了。

撰稿人：王韵澎

 

论文题目：自适应光学在超分辨显微成像技术中的应用（内封面文章·特邀）

作者：王韵澎¹，燕静¹，郝翔^1,2

完成单位：1.浙江大学 光电科学与工程学院；2.浙江大学 嘉兴研究院智能光电创新中心

自适应光学技术诞生与20世纪60年代中期，是美苏冷战太空竞赛的产物。地基自适应光学系统对获得清晰图像来确定友邦卫星的运行状态有着巨大作用，因此自适应光学被美方航空航天防御司令部和太空与导弹系统部特别关注。

荧光显微镜是研究细胞结构和动态过程的最有力的工具之一，近年来发展的超分辨显微成像技术更是突破了传统衍射极限，能够在观测活体生物样本中达到纳米级的分辨率。但由于生物样品内部折射率变化的复杂性，进行超分辨观测时成像性能往往会因样品引起的像差而降低。自适应光学是一种矫正波前误差的技术，在超分辨显微成像技术中引入自适应光学技术可以显著提高超分辨系统的成像分辨率、成像深度、成像速度。为了进一步提高超分辨显微成像系统的成像性能，研究者们不断创新自适应光学在超分辨技术的应用方法。

一个曾经的冷战时期美苏太空战的产物，到如今在生物显微领域大放异彩，自适应光学技术是如何一步步进化与迭代的？请听作者娓娓道来。

荧光显微镜引入超分辨显微技术后，荧光显微镜的理论分辨率可以达到亚纳米量级。但是实际实验中，往往会有各种因素造成严重的分辨率损失。其中最为常见和重要的是像差问题。在荧光显微镜中，光线以球形波前的形式传播，被物镜收集并转化为平面波前，然后会聚为球形波前，最终在检测器处形成理想的衍射像点(PSF)。像差会导致光偏离理想光路的缺陷，使波前畸变、焦点模糊，从而降低图像质量和分辨率。光学系统和生物样品都可以引入像差。系统引起的像差是由于光学元件的非理想性和制造缺陷造成的。生物样品引入的像差会相对更为复杂；它们可以由物镜浸泡介质和样品之间的折射率不匹配引起，主要表现为球差。此外，生物样品内部的异质性会产生复杂的像差，生物标本内部复杂的散射和畸变在实践中几乎是不可预测的。当使用超分辨显微技术成像较厚样品时，生物样品引入的像差有可能会直接消除超分辨技术进行的分辨率提高。像差会影响光的相位、振幅和偏振，从而增大PSF，降低图像质量。

为了恢复最佳成像性能，必须对光场中的这些扰动进行补偿。适应光学（AO）是一种能够测量和校正波前并优化光学像差的技术。AO最初用于天文成像，现在已被引入一系列显微成像系统中以矫正像差并恢复图像的分辨率。AO系统的基本原理是像差的测量和校正。它先通过波前测量的方法测出像差，再通过自适应校正元件(变形和空间光调制器)进行波像差的矫正。

自适应光学系统的两个主要组成部分，波前探测和波前校正，是实现高质量显微成像的关键技术。这一技术的实施首先依赖于精确的波前探测，其次是高效的波前校正。

波前探测的目标是精确测量从样本返回的光波的畸变。在自适应光学系统中，波前探测可以通过直接或间接两种方式进行：

直接波前探测：此方法使用波前传感器，如Shack-Hartmann波前传感器，来直接测量波前畸变。Shack-Hartmann传感器由一个微透镜阵列和一个检测相机组成。入射光波通过微透镜阵列被分成多个小波前，每个微透镜产生一个焦点，这些焦点的位置依赖于通过该微透镜的光波的相位梯度。通过分析这些焦点在相机上的位置变化，可以计算出局部波前的倾斜，从而重建整个入射波前的畸变。

间接波前探测：间接探测不依赖专门的波前传感器，而是通过分析成像系统获取的图像质量来估算波前畸变。这种方法中，图像质量的评估可以通过各种指标，例如图像的锐度、对比度或者傅里叶变换的高频成分来实现。一个常见的技术是使用评价函数法，该方法通过调整波前校正器件并观察图像质量变化来迭代找到最佳的波前校正配置。