科罗拉多州立大学拉塞尔·迪克森 荧光染色棉纤维的三维重建
蓝色、绿色和红色面板是来自x-y、y-z和x-z切片的对象切片，由右侧主图中的彩色矩形指示
比例尺等于60毫米
信用:兰迪·巴特尔 当涉及到对人体细胞进行三维观察时，这与晚上精确地找出萤火虫在田野里的位置没有太大区别
我们可以知道它在哪个方向，但是知道它有多远是一个挑战
萤火虫发出发光的非相干光
光波分散开来，没有沿着特定的方向传播，这使得确定萤火虫的确切位置变得困难
在夜空中飞翔的蝙蝠不会有同样的问题
它可以通过向苍蝇方向发射声波并倾听回声来很容易地找到那只可怜的萤火虫
蝙蝠的声波是连贯和定向的，让她能够用反向散射的声波来确定萤火虫的位置
类似的相干波散射用于各种日常技术，包括超声波扫描、声纳、雷达和相干光学衍射
所有这些方法都需要相干波，波在传播时有良好的波峰和波谷
在光学领域，激光表现出相同的波相干性
在美国国立卫生研究院电气和计算机工程教授兰迪·巴特尔小组的资助下，与阿里·佩泽什基教授合作，博士
科罗拉多矿业学院的杰夫·菲尔德教授和研究生帕特里克·斯托克顿发现了一种方法，可以将非相干光视为相干光
这项新技术允许团队收集荧光分子发出的非相干光，并重建物体的三维数字模型
巴特尔说:“我们现在有了一种全新的方法，可以发现荧光是从哪里来的，这在以前是无法做到的。”
用非相干光创建模型 巴特尔的团队将光学和数学计算结合起来，开发了一种新的策略，将物体发出的非相干荧光整形，形成高分辨率的三维图像，该策略发表在《光学》杂志上
巴特尔将这种策略与超声波成像进行了比较，超声波成像可以在人体内产生细胞或其他物体的图像
超声波利用从物体反射回来的声波的振荡来产生图像，利用数学计算来计算出声波返回探测器所需的距离和时间的差异
通常用于光学显微镜的荧光的问题是光是不相干的
不相干的荧光发射扰乱了发射光的相位，从而隐藏了荧光发射器的位置
合作团队采用了一种策略，通过将空间相干光束的相位差转换为荧光发射的时间变化，来模拟非相干光发射图像中的相干光散射
利用照明光的空间和时间调制，以及信号形成的数学模型，该团队通过数据的计算反演创建了更高分辨率的三维模型
该过程模拟了光在散射过程中的相干振荡的保持，返回发射非相干光的物体的精确位置和亮度的测量值
“我们有一系列用于照亮物体的成形光，然后我们简单地测量物体发出的荧光的强度
这些数据与数学模型相结合，使我们能够计算出分子的三维分布，”巴特尔说
“这个过程很像超声成像，模仿相干散射
" 结合数学和光学创建模型 对光进行所有这些测量就能得到数据，但只有在建立正确的模型来解释它的情况下，这些数据才是有用的
计算机断层扫描和核磁共振成像使用相似的数学模型来获取物体的低维表示数据，以构建详细的三维图像
使用非相干光创建三维数字模型需要一种新的数学驱动策略
这就是电气和计算机工程教授阿里·佩泽什基的切入点
佩泽什基的数学模型利用荧光物体发出的成形光的总功率测量数据，防止噪声被控制和有价值的信息被隐藏
然后可以收集分子的三维分布，就像它们是相干的一样
协同合作 这项工作是科罗拉多矿业学院巴特尔小组和斯奎尔小组之间富有成效的多学科合作的亮点之一
巴特尔说:“这是一种协同合作。”
“它必须是不同专业知识的人之间的对话，以了解不同领域的局限性
" 自2016年以来，这些团体合作出版了近12种出版物，并撰写了更多内容
数学、科学和工程的跨学科努力使他们能够将光学成像的应用从先进制造推向神经科学
“学生们真的可以从兰迪、杰夫·菲尔德、阿里和我提供的不同视角来看待问题，”斯奎尔说
“我们在成像方面取得了进步，我怀疑我们没有人预见到这一点，直到我们发起了这一合作努力，现在我们正在将它应用于我们以前没有预见到的领域
"
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