近日，瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室在智能光學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。深度學習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，當前大多數(shù)基于深度學習的方法依賴于監(jiān)督學習和訓(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)學和工業(yè)測量領(lǐng)域。

瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室姚保利團隊近年來對智能光學顯微成像技術(shù)進行了深入研究，形成了多種新型光學顯微成像技術(shù)，在成像功能、信息獲取維度、性能指標等方面均獲得顯著提升，包括利用深度學習技術(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)控的光學顯微成像和光學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，曾獲陜西省科學技術(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。

審核編輯 黃宇