中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所智能光學(xué)顯微成像研究取得新進(jìn)展

近日，瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在智能光學(xué)顯微成像研究方面取得新進(jìn)展，研究成果在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊《光電進(jìn)展》(Opto-Electronic Advances，IF: 15.3)。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所2024級(jí)博士研究生田璇和特別研究助理李潤(rùn)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(wú)法直接被光學(xué)傳感器感知，通常需要干涉的方法進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)字同軸全息顯微(Digital in-line holographic microscopy, DIHM)憑借高空間帶寬積、無(wú)標(biāo)記、非入侵、成像速度快等特點(diǎn)，成為了定量相位成像的常用方法。然而在實(shí)際應(yīng)用中，全息圖重建過(guò)程中孿生像的干擾、采用大像素尺寸探測(cè)器導(dǎo)致的亞像素信息丟失會(huì)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(wèn)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(lài)于監(jiān)督學(xué)習(xí)和訓(xùn)練實(shí)例來(lái)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(shí)驗(yàn)中不僅耗時(shí)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(duì)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(duì)TOMM20抗體細(xì)胞進(jìn)行全視場(chǎng)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(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)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(yàn)物理增強(qiáng)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(gè)非訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中封裝了物理模型先驗(yàn)、稀疏性先驗(yàn)和深度圖像先驗(yàn)，可避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求，且無(wú)需任何額外的硬件設(shè)計(jì)，僅需單幅全息圖便能實(shí)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(wú)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(chǎng)，MPPN-PSR提高了成像的空間帶寬積。該項(xiàng)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(cè)量領(lǐng)域。

瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利團(tuán)隊(duì)近年來(lái)對(duì)智能光學(xué)顯微成像技術(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)的全彩寬場(chǎng)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(shí)現(xiàn)的高分辨率高信噪比的光片顯微成像、透過(guò)散射介質(zhì)計(jì)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(tuán)隊(duì)在基于光場(chǎng)調(diào)控的光學(xué)顯微成像和光學(xué)微操縱方面開(kāi)展了長(zhǎng)期的理論和實(shí)驗(yàn)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，曾獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)和陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。

審核編輯 黃宇