在微觀世界中，細胞受激光作用后的瞬態(tài)響應、深層組織中被散射擾動的微弱信號，以及透明樣品中難以直接觀測的相位信息，往往都隱藏在光與物質相互作用的細微過程里。
如何“追光捕快、察納顯微”，讓顯微成像追上高速變化、穿透復雜組織、讀出隱匿相位，是先進光學成像的重要挑戰(zhàn)，也是中國科學院西安光機所重點研究方向之一。
近期，中國科學院西安光機所姚保利研究員團隊圍繞這些關鍵問題持續(xù)攻關，在高保真壓縮高速成像、多導星并行波前傳感和雙編碼計算顯微成像等方向取得系列進展：讓瞬態(tài)過程更清晰，讓深層成像更精準，讓無透鏡相位重構更可靠，為生命科學、微納加工和超快物理過程觀測打開了新的觀察窗口。
相關研究成果連續(xù)發(fā)表于Optics Express，Optics and Lasers in Engineering，Optics Letters。
進展一：高保真壓縮高速成像，捕捉細胞瞬態(tài)動力學
針對光學顯微高速成像中光通量受限與重構失真的難題，研究團隊創(chuàng)新性地提出高保真壓縮高速成像方法（HF-CHI）。該方法結合高透過率靜態(tài)編碼掩膜、雙路徑同步采集架構以及團隊研發(fā)的多先驗物理增強神經(jīng)網(wǎng)絡（mPEN），在50 Kfps的等效幀率下，實現(xiàn)了優(yōu)于181 lp/mm的高空間分辨率。
圖1 洋蔥表皮細胞光熱燒蝕動力學成像結果
該方法成功解析了細胞光熱燒蝕等復雜非重復瞬態(tài)動力學過程，為生物醫(yī)學、微納加工及超快物理研究提供了有力工具。
相關研究成果以《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所栗星博士、王思穎博士，通訊作者為西安光機所柏晨研究員和姚保利研究員。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.595532
進展二：多導星并行波前傳感，提升深組織成像質量
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重影響成像質量。傳統(tǒng)瞳面自適應光學（PAO）方法難以實現(xiàn)大視場有效校正，而現(xiàn)有基于多導星波前測量的技術則受限于導星數(shù)量（通常僅數(shù)十個）。
對此，研究團隊提出了一種多導星并行波前傳感（PWS）方法，可在不顯著增加時間成本、無需提升硬件性能的前提下，同時利用數(shù)百顆導星對高度空間變化的波前畸變進行高效校正。
圖2?不同導星數(shù)量下校正圖像的對比
該方法顯著提升了可利用導星數(shù)量，為克服深層組織成像中的復雜波前畸變提供了全新且高效的解決方案。
相關研究成果以《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所楊睿文博士，通訊作者為西安光機所楊延龍正高級實驗師和姚保利研究員。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2026.109818
進展三：雙編碼計算顯微成像，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)原理對比
研究團隊提出了一種基于多角度照明與編碼疊層的計算顯微成像方法（Multi-angle CP）。該方法采用“照明-探測”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；
·探測端引入編碼層作為支撐域約束增強相位恢復收斂性。該策略有效提升了相位重構精度，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低頻相位目標仿真結果對比圖
該方法有效提升了相位重構精度，解決了低頻相位信息缺失的難題。
相關研究成果以《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所楊力銘特別研究助理，通訊作者為西安光機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家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。
近年來，姚保利研究員團隊聚焦先進光學顯微成像技術攻關，形成了多種新型光學顯微成像技術，團隊進一步融合人工智能算法，顯著提升了先進光學顯微成像技術的成像功能、信息獲取維度及性能指標。相關工作發(fā)表于Opto-Electronic Advances、PhotoniX、Ultrafast Science等期刊。團隊獲授權國家發(fā)明多項專利，并先后榮獲陜西省科學技術一等獎、二等獎以及陜西省重點科技創(chuàng)新團隊等多項獎勵和榮譽。
