微观样品三维定量观测是细胞生物学、材料表征、病理分析领域不可或缺的研究手段。光学衍射层析（ODT）凭借无标记、非侵入、可重建三维折射率分布的特性，成为前沿显微成像技术方向。但长期以来，传统 ODT 设备结构复杂、调试门槛高、成像效率不足等难题，制约了技术从实验室走向广泛应用。近日，中国科学院西安光机所姚保利研究员团队提出全新 LED-ODT 成像方案，打造紧凑型无标记三维显微成像系统，为高端定量显微仪器轻量化、通用化发展开辟新路径。
传统光学衍射层析技术分为两条技术路线，但均存在明显短板。基于马赫 - 泽德干涉仪的经典 ODT 系统依赖高相干激光光源与精密机械扫描组件，整套装置光路调试难度大，环境振动、温度波动极易干扰成像稳定性，搭建与维护成本居高不下。而近些年兴起的 LED 强度型 ODT 方案简化硬件架构，舍弃复杂干涉光路，却需要采集上百幅图像配合复杂迭代算法恢复相位信息，大幅拉长成像耗时，难以满足动态生物样本实时观测需求。两类方案难以兼顾成像、系统复杂度与采集速度，成为无标记三维显微仪器规模化推广的阻碍。
针对行业现存痛点，西安光机所团队创新构建基于可编程 LED 阵列照明搭配自研定量相位相机 Q-camera 的 LED-ODT 成像体系。该方案无需大规模改造光路，能够在现有商用普通光学显微镜平台上完成升级改造。系统搭载 15×15 可编程 LED 阵列，依靠电控实现多角度照明，摒弃传统机械扫描结构；配合自研 Q-camera 定量相位相机，单次曝光即可获取单角度下样品复振幅信息。研究团队结合 Rytov 近似与傅里叶衍射定理，完成多视角数据融合重建，终得到样品完整三维折射率分布。
整套紧凑型系统照明角度可达 52.9°，仅需 2.7 秒就能完成 225 个照明角度图像采集。对比现有设备，LED-ODT 融合多重优势：拥有干涉式 ODT 优异的复振幅测量，具备共光路架构带来的高稳定性，同时延续强度型 ODT 硬件简洁、部署灵活的特点，实现成像、运行稳定性与设备易用性三者平衡。
实验测试充分验证设备实用价值。科研人员利用该系统开展 COS-7 活细胞与浸水胖大海种子成像测试，无需荧光染色，即可清晰分辨细胞内部脂滴等亚细胞微观结构，同时精准还原生物材料内部折射率空间分布差异。对于生物科研人员而言，无标记观测可以规避染色试剂对活细胞活性造成的损伤，更贴近样本真实生理状态；在天然高分子材料研究中，该设备能够实现内部微观结构无损三维表征。
从仪器产业发展角度来看，LED-ODT 的亮点在于极强的兼容性。方案依托通用显微镜改造，无需购置全新大型精密成像装备，有效降低高端三维定量成像的使用门槛。当前高端三维显微设备采购、运维成本高昂，大量高校实验室、中小型科研单位难以配置。这套紧凑型系统落地之后，有望推动无标记三维衍射层析技术从少数实验室，普及至常规科研平台。
放眼行业应用场景，该技术拥有广阔落地空间。在细胞代谢研究、组织病理学观测、微生物分析等生命科学领域，可支撑长时间活细胞动态三维监测；在材料行业，适用于聚合物、多孔材料、透明复合材料微观结构无损检测。同时，姚保利团队长期深耕无标记显微成像方向，持续推进技术工程化转化，此前已面向流场可视化、工业检测开发多款成像装置，为 LED-ODT 后续仪器样机开发提供扎实技术积累。
随着生命科学与先进材料研究持续发展，市场对于轻量化、低成本、定量型三维显微仪器需求持续上涨。西安光机所 LED-ODT 技术有效打破传统 ODT 设备的应用桎梏，打通基础科研与仪器产业化之间的通道。未来随着技术持续优化与工程化推进，紧凑型无标记三维显微成像装备有望形成国产化创新产品，助力国内微观检测仪器领域实现进一步突破。