双螺旋点扩散函数：成像、荧光显微的“好伙伴”

深圳大学生物医学光子学研究中心屈军乐教授、于斌教授课题组的综述论文“双螺旋点扩散函数技术及应用研究进展”被选为《激光与光电子学进展》2022年第18期的封面文章。

论文总结了双螺旋点扩散函数技术的发展历程和现状、着重讨论了该技术在深度估计、纳米尺度三维单颗粒示踪、超分辨荧光显微、新型激光扫描荧光显微等领域的应用研究进展，并对未来发展方向进行了展望。

封面解读

封面展示了双螺旋点扩散函数（DH-PSF）技术的核心原理。利用DH-PSF相位片将光学系统的点扩散函数改造成双螺旋点扩散函数。由于DH-PSF的两个波瓣的旋转角度与物体深度信息直接相关，因此，通过计算重构，DH-PSF成像系统可对物体进行高精度的三维成像和定位。

封面解读

曹博, 曹慧群, 林丹樱, 屈军乐, 于斌. 双螺旋点扩散函数技术及应用研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2022, 59(18): 1800001

一．背景

双螺旋旋转光束满足广义自成像条件，即光场传播一段距离后，光场分布除了发生缩放、旋转之外，其余不变。双螺旋旋转光束函数作为光学传递函数应用到光学成像系统中，光学系统的点扩散函数变为DH-PSF。这种情况下，光学系统的DH-PSF由两个主瓣组成，旋转方位与目标点的轴向位置直接相关，可以作为高灵敏的深度估计工具。

基于DH-PSF的成像和示踪技术，三维定位精度高、成像景深大、光学系统简单等特点，已经被广泛应用到与目标深度信息获取相关的成像和示踪领域当中。

二．双螺旋点扩散函数的产生

DH-PSF是一种三维光学响应函数，如图1所示，具有两个随系统离焦量变化的连续旋转的波瓣，且始终保持着光强较为集中的状态，不像系统标准的三维PSF随着离焦量的增加而弥散。由于DH-PSF的两个波瓣的旋转角度与物体深度信息直接相关，因此，通过计算重构，基于DH-PSF的成像系统可对物体进行高精度的三维成像和定位。

图1 (a) STD-PSF在空间中的三维强度分布；(b) DH-PSF在空间中的三维强度分布

目前，常用的DH-PSF的设计方法主要分为以下几类：基于拉盖尔-高斯（LG）光束的高效率DH-PSF设计方法、基于涡旋奇点的DH-PSF的设计方法和基于菲涅耳波带法的DH-PSF设计方法。这些不同的设计方法产生出了一些不同的DH-PSF调控器件，常用的DH-PSF调控器件主要有双螺旋相位模板（DH-PM）、纯相位型空间光调制器（SLM）和几何超构表面（GM)。DH-PSF的调控器件是实现DH-PSF工程技术的关键。

三.DH-PSF技术的研究进展

3.1基于DH-PSF的深度估计技术

深度测量对增强现实、机器人、手势检测和人脸识别等新兴技术来说至关重要。DH-PSF技术可以实现被测目标深度信息的获取，并且具有系统简洁的特点。

2006年Greengard等首次提出了基于DH-PSF的深度估计方法，通过DH-PSF调制的目标图像和标准PSF的目标图像，利用深度反卷积算法进行深度信息估计，提高了深度估计的精度。除此之外还有一些其他方法。比如，利用一个等离子体几何超表面，将产生DH-PSF的相位掩模和用于成像的金属透镜相组合，来实现具有更高传输效率的基于超透镜（DH-metalens）的深度估计技术。

还有基于DH-PSF的三维宽场图像重构方法（图2），通过对双螺旋宽场图像进行算法重构，利用倒频谱和滤波分析，可以将原本离焦的模糊信息恢复出来，获得样品三维强度信息和对应的深度坐标。

图2 基于双螺旋的宽场成像示意图

3.2 基于DH-PSF的纳米尺度三维单颗粒示踪技术

由于能够获得单粒子的纳米尺度三维位置信息，DH-PSF技术在纳米尺度的三维单颗粒示踪（3D SPT）技术中获得广泛的应用。

图3为荧光粒子的三维示踪装置示意图，在该系统中利用SLM来产生DH-PSF，使用DH-PSF图像以纳米尺度的精度确定多个粒子的三维位置，并随时间跟踪它们，同时提供它们的运动速度。

图3 荧光粒子的三维示踪装置示意图

成像深度和能够示踪的粒子的密度是相互矛盾的。为此，深圳大学的牛憨笨课题组提出了一种大景深无扫描纳米分辨三维多分子示踪成像方法和系统（DDCM），利用具有变形光栅成像和DH-PSF的双功能复合相位片，扩展了DH-PSF的成像深度。 苏州医工所Li等提出了旋转2pi角度的DH-PSF，即2pi-DH-PSF，并进一步结合离焦相位因子的调控，实现了720?旋转角度的DH-PSF。相比原先的DH-PSF，离焦2pi-DH-PSF的成像深度扩大4倍。

在对厚样品内荧光分子进行成像示踪时，背景荧光噪声降低了单分子图像的信噪比，从而降低了单分子的定位精度。深圳大学Yu等提出了基于光片照明的DH-PSF显微技术，实现对厚样品中单粒子的三维纳米分辨成像和追踪，有效解决了厚样品三维单分子成像和示踪中的背景噪声大和分辨率低的问题，在完整活细胞内动力学过程研究中具有广阔的应用前景。

3.3 基于DH-PSF的三维超分辨荧光显微技术

由于DH-PSF能够提供荧光分子在样品空间中的纳米精度三维位置信息，在三维超分辨荧光显微成像领域受到广泛的关注。

如图4所示，在单分子定位超分辨显微中，可利用DH-PSF两个旁瓣的中点位置对单个荧光分子的横向位置进行估计，而轴向位置则可以根据两个旁瓣中心连线的旋转角度来确定，最终实现高达10-20 nm的三维空间分辨。

图4 DH-PSF成像系统及3D超分辨成像

基于DH-PSF的受激发射损耗（STED）显微成像技术、 基于DH-PSF的多焦点结构光照明显微技术（MSIMH）和混合多焦点结构光照明显微系统（HMSIM）等技术，都能够利用DH-PSF突破这些超分辨成像方法本身的轴向分辨率限制，实现了对亚细胞精细结构、动态过程和功能的观察，使得人们能够更精确地理解各种生命过程，极大地推进了生命科学等诸多领域的发展，这些方法已经成为生命科学领域中强有力的研究工具。

3.4 基于DH-PSF的新型激光扫描荧光显微技术

激光扫描共聚焦显微 (CLSM) 技术具有良好的成像分辨率和层析能力， 被广泛应用于生命科学研究。研究人员提出了一种基于螺旋相位工程的数字重聚焦扫描显微(RESCH) 技术，如图5所示，在探测光路中引入DH-PSF相位片，将样品发射的高斯荧光点转换成双螺旋的形式；在此基础上，利用特定旋转角度的虚拟针孔（图5(b)）滤波，RESCH能够从单次二维扫描的数据中获得轴向400 nm 范围内样品不同层的结构信息， 大幅提升了CLSM的三维成像速度，同时保持了CLSM的层析能力。

图5  RESCH的光路示意图

其他的方法还包括基于多焦点结构光照明的RESCH(MRESCH)，选择扫描多焦点多光子显微成像技术（saMMM)等。

3.5 DH-PSF技术在其它光学领域的应用

激光光镊利用高度聚焦光场中的梯度以及微粒光散射产生的光压对微粒进行钳镊和操控，操纵对象尺度可从数纳米至几十微米，在生物医学、凝聚态物理等领域获得了广泛的应用。2011年，研究人员提出了一种用于高精度三维多粒子跟踪的双螺旋点扩散函数（DH-PSF）全息光镊系统（图6），可用于测量光学阱产生的复杂三维力场，从而使该系统适用于胶体系统、生物材料和各种软物质系统相互作用的定量研究，进一步扩大了光镊在生物学领域的影响。除光镊以外，其他领域的应用还包括基于DH-PSF的螺旋超材料制备技术等。

图6 集成了全息光镊(红色)与DH-PSF系统（绿色）的实验装置实验图

四． 总结与展望

经过十多年的发展，DH-PSF工程技术已在超分辨荧光显微、单分子示踪、三维成像、光学微操纵、光学微加工、光学检测等领域得到了广泛应用，极大促进了这些领域的发展。然而该技术在以下方面还有待进一步的发展：1) DH-PSF相位片的设计还需要改进。2）发展新的基于DH-PSF的单粒子定位算法。3）双螺旋成像透镜的小型化和集成化。4）进一步拓展DH-PSF工程技术的应用范围，推进各领域不断发展。

总之，随着上述各方面的发展，DH－PSF成像系列技术的应用潜力将被进一步挖掘，并更好地助力前沿科学，特别是生命科学、医学、材料科学和信息科学等相关科学问题的研究

深圳大学生物医学光子学研究中心介绍：

深圳大学生物医学光子学研究中心面向国家战略需求和生物医学光子学领域前沿，重点开展多模态非线性光学显微成像、光学超分辨成像、纳米生物光子技术和光学诊疗的基础理论研究、关键技术攻关与工程应用。

深圳大学生物医学光子学研究团队始建于1999年，是在牛憨笨院士领导下发展起来的，主要围绕生命科学和生物医学所需的光学方法和手段开展研究，已发展成为一支高水平、国际化的研究团队，具有很好的研究基础。近年来，研究中心承担了一批国家重点研发计划，973计划课题，国家自然科学基金重大仪器、重点、重点国际合作等项目。在包括Nature Photonics、Nature Communications、Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)、Physical Review Letters、Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Advanced Science、Chem、Nano Letters、Laser & Photonics Reviews等国际著名期刊上发表SCI论文500多篇。 荣获中国光学重要成果、中国光学学会光学科技奖基础研究二等奖1项、广东省科学技术奖自然科学奖三等奖1项，深圳市科学技术奖自然科学奖二等奖2项。