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資料提供:影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology
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整理:林晃巖教授、王子聖 —
在可見光波長下映射細胞動力學
從生醫科學到工業應用等廣泛學科的快速動態監測與高通量篩選不斷增長的需求,推動了高速光學成像技術的發展。在這些技術中,最初開發用於高數據速率之全光信號處理的光時延伸成像(optical time-stretch imaging),在於其具有能夠在MHz的規模下以超快幀率實現即時成像的能力,且比任何傳統成像的系統更快數個數量級而最為突出。然而,由於低時間色散和高光學損耗,在許多生物學應用所需的可見光波長下,要實現空間分辨的光時延伸成像仍然存在許多挑戰。
針對這些缺陷,Jiang-Lai Wu與其同事目前提出了一種優質的解決方案 [2],他們稱之為自由空間角線性變頻增強延遲(free-space angular-chirp-enhanced delay, FACED)技術,其不只可以提供高色散對損耗比,還能在可見光的頻帶下固有地提供超快全光雷射光束延伸機制。因為在FACED中所使用的脈衝延伸概念是基於波長不變的幾何光學,不一定需要色散,因此無論是否具有光譜編碼(spectral encoding, SE),均可以實現光時延伸成像。
FACED裝置由一對角度不對準的高反射率平面鏡組成。由於小於1 mrad的微小角度偏差,光束傳播可以被視為是一組由起點出發經遠端終點再返回到起點,不會從鏡組遠端逃逸的空間線性變頻的來回區折路徑。這大大增強了每個路徑的時間延遲,因此在緊湊的裝置內(100–200 × 10–20 mm)與在通常不會被認為可以產生大的時間色散之有效介質的自由空間中,實現大於1 ns nm-1(或脈衝延伸大於10 ns)的顯著時間色散,並且無實質的光學損耗(小於6 dB)。實際上,FACED是將輸入脈衝光束轉換成空間中的全光掃描光束。
FACED的工作原理如圖1所示。其中,圖1a是基於FACED的雷射掃描時間延伸成像系統的總體示意圖。通過角度分散器模組的輸入脈衝光束(參見圖1b中的詳細原理圖)聚焦在由一對角度不對準的高反射率平面鏡組成的FACED器件的入口O處。前面提到過,因為微小偏差角度α的關係,光束傳播可以被視為一組空間線性變頻的來回曲折路徑,其會從最終遠端返回到輸入起點,而不會從設備的遠端逃逸。這樣的光軌跡顯著增強了不同路徑之間的時間延遲,從而產生巨大的脈衝延伸(或如果是使用SE方案的話,則是時間色散)。對於入口O處入射角等於α整數倍的輸入光線,在正常入射到達其中一個反射鏡之後,它們會沿著初始入射的路徑精確返回(見圖中三個特別顯示的光線)。這些被稱為主光線的光線可以被認為是從虛擬光源中產生的光,其中每一個都具有小的發散角(=α)。實際上,FACED產生一個在空間中對準的時間延遲虛擬源陣列,然後由中繼透鏡系統(如管透鏡和物鏡)作為掃描光束投影到樣本上。圖1b為角度分散器應用在SE方案(上圖)及SE-free方案(下圖)的示意圖。其中,SE表示具有頻譜編碼;而SE-free則是無頻譜編碼。引入「角度色散」的SE及SE-free方案的關鍵要素分別是繞射光柵和柱狀透鏡。這兩種方案中的伸縮透鏡系統(由透鏡L1和L2組成)用於控制輸入光錐角Δθ。BS為光束分離器。而圖1c是FACED的總體概念。FACED不僅可以及時引入脈衝延伸(具有由一串子脈衝組成的拉伸脈衝包絡),而且還可以將輸入脈衝光束轉換成空間中的全光掃描光束。值得一提的是每個子脈衝都對應到虛擬源,即樣本上的掃描點(參見圖中三個特別顯示的點,其對應於a中的三個基本射線)。
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圖1、FACED的工作原理圖。 |
Wu和他的同事評估了FACED啟用的可見光亮場時間延伸成像方案,對染色的生物組織切片與活的細微浮游生物在710 nm時,以10 MHz的有效線掃描速率的基本成像性能。他們還以80 MHz的線掃描速率在710 nm以2 ms-1的超快微流體流中顯示單細胞成像。如圖2所示,與每秒15,000幀的高速CMOS攝像機所拍攝的圖像相比(左圖),單個單元(右圖)的時間延伸圖像無模糊的情況,圖像對比度和解析度也較高,可以顯示出次細胞的特徵。該團隊還展示了在這個未開發完成的可見光譜中的MHz螢光與著色時間延伸顯微鏡。此外,他們也進行了沒有光譜編碼方案的雷射掃描時間延伸成像,得到了與普通光場透射顯微鏡相當的圖像解析度。
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圖2、由CMOS攝像機(15000 f.p.s.)和基於FACED的時間延伸顯微鏡所拍攝的超快微流體流中Scenedesmus acutus的圖像。 |
研究結果表明該技術具有巨大的潛力,這將有助於提升高速及高通量生物顯微鏡的應用範圍。研究人員設想,在正交方向上使用附加的高速光束掃描儀也可以進行二維超快速動態成像。
參考資料: |
1. Rachel Won, Laser imaging: Mapping cell dynamics at visible wavelengths, Nature Photonics 11, 214 (2017)
doi:10.1038/nphoton.2017.47
2. Jiang-Lai Wu, et al., Ultrafast laser-scanning time-stretch imaging at visible wavelengths, Light Sci. Appl. 6, e16196 (2017)
doi:10.1038/lsa.2016.196
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