中國科學(xué)院西安光機所智能光學(xué)顯微成像研究取得新進展

　　近日，瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室在智能光學(xué)顯微成像研究方面取得新進展，研究成果在線發(fā)表于國際高水平學(xué)術(shù)期刊《光電進展》(Opto-Electronic Advances，IF: 15.3)。論文第一作者為中國科學(xué)院西安光機所2024級博士研究生田璇和特別研究助理李潤澤，通信作者為柏晨副研究員和姚保利研究員。
 

　　光波攜帶的相位信息能揭示物質(zhì)的厚度、折射率、幾何形貌等特性，因其無法直接被光學(xué)傳感器感知，通常需要干涉的方法進行檢測。數(shù)字同軸全息顯微(Digital in-line holographic microscopy, DIHM)憑借高空間帶寬積、無標(biāo)記、非入侵、成像速度快等特點，成為了定量相位成像的常用方法。然而在實際應(yīng)用中，全息圖重建過程中孿生像的干擾、采用大像素尺寸探測器導(dǎo)致的亞像素信息丟失會阻礙高質(zhì)量的DIHM成像。深度學(xué)習(xí)憑借其噪聲抑制和逆問題求解能力，成為DIHM成像和像素超分辨(Pixel super-resolution, PSR)的有力工具。然而，當(dāng)前大多數(shù)基于深度學(xué)習(xí)的方法依賴于監(jiān)督學(xué)習(xí)和訓(xùn)練實例來優(yōu)化其權(quán)值和偏差，采集大量的全息圖及其相應(yīng)的高分辨原始相位圖在實驗中不僅耗時久，且訓(xùn)練數(shù)據(jù)的收集十分困難。此外，訓(xùn)練后的模型對于不同于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的樣品泛化性十分有限。
 

　　圖 MPPN-PSR相位成像：(a)對TOMM20抗體細胞進行全視場像素超分辨相位成像，(b)不同PSR相位重建方法比較和(c)相應(yīng)的光學(xué)厚度圖。
 

　　針對上述問題，研究團隊提出了一種DIHM像素超分辨相位成像的非訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即多先驗物理增強神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(MPPN-PSR)，可從同軸全息圖中高通量、高精度、高分辨地重建樣品的相位信息。MPPN-PSR將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和物理模型相結(jié)合，在一個非訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中封裝了物理模型先驗、稀疏性先驗和深度圖像先驗，可避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求，且無需任何額外的硬件設(shè)計，僅需單幅全息圖便能實現(xiàn)孿生像抑制、像素超分辨和高通量相位成像。MPPN-PSR方法相較無PSR的相位恢復(fù)方法，圖像的像素分辨率提高了3倍，與結(jié)合了像素超分辨的經(jīng)典相位恢復(fù)方法Twist-TV-PSR相比，光學(xué)分辨率提高約2倍，且由于利用了低倍物鏡固有的大視場，MPPN-PSR提高了成像的空間帶寬積。該項研究成果有望為其它數(shù)字全息成像方案提供借鑒，并廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)測量領(lǐng)域。
 

　　瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室姚保利團隊近年來對智能光學(xué)顯微成像技術(shù)進行了深入研究，形成了多種新型光學(xué)顯微成像技術(shù)，在成像功能、信息獲取維度、性能指標(biāo)等方面均獲得顯著提升，包括利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)的全彩寬場顯微光切片三維成像、共聚焦顯微快速超分辨三維成像、快速光片三維顯微成像等，以及利用壓縮感知技術(shù)實現(xiàn)的高分辨率高信噪比的光片顯微成像、透過散射介質(zhì)計算成像等。相關(guān)研究成果發(fā)表于Photon. Res.、Opt. Lett.、Opt. Express等期刊。此外，團隊在基于光場調(diào)控的光學(xué)顯微成像和光學(xué)微操縱方面開展了長期的理論和實驗研究工作，在PNAS、Nature Com.、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等期刊上發(fā)表300多篇論文，授權(quán)多項國家發(fā)明專利，曾獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎、二等獎和陜西省重點科技創(chuàng)新團隊等獎勵和榮譽。