（通讯员：陈肖霏）近日，我校物理学院和中科院西安光学精密机械研究所、德国KIT合作，提出了一种利用部分相干照明提升结构光照明显微镜（SIM）光切片能力的技术。该工作以"Enhancing Optical Sectioning in Structured lllumination Microscopy with Axially Confined Fringe Modulation"为题发表在国际知名光学期刊Laser & Photonics Reviews (中科院一区，影响因子 10.0)，并入选期刊封面论文。物理学院硕士生李娇月和陈肖霏为本文共同第一作者，我校为第一完成单位和通讯单位。

   结构光照明光切片显微技术（Optical Sectioning Structured Illumination Microscopy, OS-SIM）是一种高分辨三维显微成像技术。该方法利用结构光场照明样品，通过平移结构光抑制散焦背景信号，获得样品光切片图像。与共聚焦显微镜相比，OS-SIM采用宽场照明方式，无需点扫描，可以以数十倍的速度获得样品三维立体图像；此外，该方法具有低的光漂白和光毒性，适用于长时间活细胞成像。OS-SIM 在细胞生物学、生物医学和神经科学等领域具有广泛的应用。

目前对OS-SIM光学切片机理及决定光切片能力的物理因素研究尚不够深入。目前OS-SIM层析成像的机理主要归因于离焦过程中成像系统对高频分量的抑制作用，即：随着离焦距离的增加，被结构光调制的高频信息会迅速消失。事实上，照明光源的相干性以及照明角谱分布对照明结构光场轴向厚度，以及最终OS-SIM的光切片能力，也起着关键作用，然而这一点在现有的研究中被忽视了。

图1 OS-SIM的光学切片机理示意图

针对上述问题，物理学院郜鹏团队提出了一种基于光场相干性调控的结构光照明光切片三维显微技术。通过光的角谱传输理论与霍普金斯交叉传输系数建立了OS-SIM成像理论模型，揭示了部分相干照明光发散角对结构光轴向定域分布，以及OS-SIM光切片能力的影响机理（图1）。实验上，设计基于部分相干照明和数字微镜器件（DMD）调制的OS-SIM显微成像装置（图2）。与传统OS-SIM技术相比，该设备采用单频激光器与旋转散射体相结合的方式产生照明角谱范围可调的部分相干照明光，进而通过DMD调制产生了条纹对比度高、轴向厚度薄的结构光场。通过改变照明光角谱分布范围，研究其对OS-SIM光切片能力的影响。最终发现：当照明光源最大发散角q_max和结构光±1级衍射角q_SIM满足nsinq_max = nsinq_SIM =0.5NA_imag时OS-SIM可以获得最优的光切片能力，此处n油浸介质折射率，NA_imag为成像物镜数值孔径。最终，采用以上优化条件，显著提高了OS-SIM对于厚样品三维成像时的轴向切片精度。

图2 OS-SIM实验装置

图3展示了OS-SIM对一工业元器件的三维成像结果。图3(a)展示了该样品的三维层析图像，图3(b,c) 展示了其不同轴向位置处的xy截面图像。图3(d)比较了不同光源发散角（q_max=0.05 和q_max=0.55 rad）条件下，OS-SIM的光切片能力。结果表明，采用部分相干照明（q_max=0.55 rad）后，OS-SIM对非荧光样品的轴向光切片精度提升了5倍。

图3 OS-SIM对散射表面成像结果。

图4展示了OS-SIM对MCF-10A细胞中细胞骨架结构的三维成像结果。图4 (a)中上下两图分别为传统宽场显微和部分相干照明OS-SIM的成像结果，成像区域为90 × 90 × 10 μm³，轴向步长为100 nm。图4 (b)为不同轴向位置的选定 xy截面图像。与宽场成像相比，OS-SIM显著减少了离焦背景干扰，获得清晰的三维图像。这得益于其采用了特殊设计/优化的照明光源，具有增强的光切片能力（对荧光样品轴向切片精度提升了1.4倍）。该实验验证了OS-SIM在细胞/细胞器高分辨、三维成像上的优势。

图4 OS-SIM对MCF-10A细胞中微管结构的三维成像结果。

上述工作得到了国家重点研发计划（2021YFF0700303）项目资助，该项目由光学显微领域龙头企业——永新光学股份有限公司牵头。中科院西安光学精密机械研究所和西安电子科技大学和在该项目中承担课题，开展三维实时高速、高分辨显微技术研究。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202570037)