在微觀世界中，細(xì)胞受激光作用后的瞬態(tài)響應(yīng)、深層組織中被散射擾動(dòng)的微弱信號(hào)，以及透明樣品中難以直接觀測(cè)的相位信息，往往都隱藏在光與物質(zhì)相互作用的細(xì)微過程里。
如何“追光捕快、察納顯微”，讓顯微成像追上高速變化、穿透復(fù)雜組織、讀出隱匿相位，是先進(jìn)光學(xué)成像的重要挑戰(zhàn)，也是中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所重點(diǎn)研究方向之一。
近期，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所姚保利研究員團(tuán)隊(duì)圍繞這些關(guān)鍵問題持續(xù)攻關(guān)，在高保真壓縮高速成像、多導(dǎo)星并行波前傳感和雙編碼計(jì)算顯微成像等方向取得系列進(jìn)展：讓瞬態(tài)過程更清晰，讓深層成像更精準(zhǔn)，讓無透鏡相位重構(gòu)更可靠，為生命科學(xué)、微納加工和超快物理過程觀測(cè)打開了新的觀察窗口。
相關(guān)研究成果連續(xù)發(fā)表于Optics Express，Optics and Lasers in Engineering，Optics Letters。
進(jìn)展一：高保真壓縮高速成像，捕捉細(xì)胞瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)
針對(duì)光學(xué)顯微高速成像中光通量受限與重構(gòu)失真的難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出高保真壓縮高速成像方法（HF-CHI）。該方法結(jié)合高透過率靜態(tài)編碼掩膜、雙路徑同步采集架構(gòu)以及團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多先驗(yàn)物理增強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（mPEN），在50 Kfps的等效幀率下，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于181 lp/mm的高空間分辨率。
圖1 洋蔥表皮細(xì)胞光熱燒蝕動(dòng)力學(xué)成像結(jié)果
該方法成功解析了細(xì)胞光熱燒蝕等復(fù)雜非重復(fù)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過程，為生物醫(yī)學(xué)、微納加工及超快物理研究提供了有力工具。
相關(guān)研究成果以《High-fidelity compressed high-speed imaging for resolving rapid micro-dynamics》為題發(fā)表于2026年04月Optics Express，論文共同第一作者為西安光機(jī)所栗星博士、王思穎博士，通訊作者為西安光機(jī)所柏晨研究員和姚保利研究員。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.595532
進(jìn)展二：多導(dǎo)星并行波前傳感，提升深組織成像質(zhì)量
在深層生物組織成像中，由樣品引起的空間變化波前畸變嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。傳統(tǒng)瞳面自適應(yīng)光學(xué)（PAO）方法難以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)有效校正，而現(xiàn)有基于多導(dǎo)星波前測(cè)量的技術(shù)則受限于導(dǎo)星數(shù)量（通常僅數(shù)十個(gè)）。
對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種多導(dǎo)星并行波前傳感（PWS）方法，可在不顯著增加時(shí)間成本、無需提升硬件性能的前提下，同時(shí)利用數(shù)百顆導(dǎo)星對(duì)高度空間變化的波前畸變進(jìn)行高效校正。
圖2?不同導(dǎo)星數(shù)量下校正圖像的對(duì)比
該方法顯著提升了可利用導(dǎo)星數(shù)量，為克服深層組織成像中的復(fù)雜波前畸變提供了全新且高效的解決方案。
相關(guān)研究成果以《Parallel wavefront sensing with hundreds of guide stars for anisoplanatic correction in two?photon microscopy》為題發(fā)表于2026年05月Optics and Lasers in Engineering，論文第一作者為西安光機(jī)所楊睿文博士，通訊作者為西安光機(jī)所楊延龍正高級(jí)實(shí)驗(yàn)師和姚保利研究員。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2026.109818
進(jìn)展三：雙編碼計(jì)算顯微成像，攻克低頻相位缺失難題
傳統(tǒng)無透鏡編碼疊層成像（CP）及類似方法普遍存在低頻相位信息缺失的問題。
圖3 傳統(tǒng)編碼疊層成像與所提方法系統(tǒng)原理對(duì)比
研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多角度照明與編碼疊層的計(jì)算顯微成像方法（Multi-angle CP）。該方法采用“照明-探測(cè)”雙編碼模式：
·照明端通過橫向平移筒鏡產(chǎn)生不同入射角度的平面波提供相位多樣性；
·探測(cè)端引入編碼層作為支撐域約束增強(qiáng)相位恢復(fù)收斂性。該策略有效提升了相位重構(gòu)精度，克服了低頻相位信息缺失的瓶頸。
圖4 傳統(tǒng)編碼疊層成像與所提方法對(duì)低頻相位目標(biāo)仿真結(jié)果對(duì)比圖
該方法有效提升了相位重構(gòu)精度，解決了低頻相位信息缺失的難題。
相關(guān)研究成果以《Lensless quantitative microscopy based on multi-angle illumination and coded ptychographic phase retrieval》為題發(fā)表于2026年04月Optics Letters，論文第一作者為西安光機(jī)所楊力銘特別研究助理，通訊作者為西安光機(jī)所吳騰飛研究員和姚保利研究員。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OL.585444
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
近年來，姚保利研究員團(tuán)隊(duì)聚焦先進(jìn)光學(xué)顯微成像技術(shù)攻關(guān)，形成了多種新型光學(xué)顯微成像技術(shù)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步融合人工智能算法，顯著提升了先進(jìn)光學(xué)顯微成像技術(shù)的成像功能、信息獲取維度及性能指標(biāo)。相關(guān)工作發(fā)表于Opto-Electronic Advances、PhotoniX、Ultrafast Science等期刊。團(tuán)隊(duì)獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明多項(xiàng)專利，并先后榮獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)以及陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。
