西安光机所在傅里叶叠层显微成像领域取得理论突破

近日，超快光科学与技术全国重点实验室在傅里叶叠层显微成像（FPM）领域取得理论突破，建立了无先验数字重聚焦的统一理论框架，定量预测了计算成像系统的景深扩展极限，相关成果在线发表于APL Photonics。论文共同第一作者为西安光机所实习生周芸辉（长春理工大学）、西安光机所博士生许京浩，潘安副研究员为通讯作者。

傅里叶叠层显微术，能够同时实现大视场、高分辨率无标记成像，被广泛应用于数字病理切片扫描、活细胞动态观察等生物医学前沿领域。然而，该技术长期面临 “离焦敏感”的问题，数微米的偏移就会导致重建失效，而现有改进方案或依赖离焦先验信息，或缺乏定量理论支撑，严重制约了该技术的产业化实用化进程。

针对这一问题，团队通过理论推导与实验验证相结合，建立了首个覆盖多物镜的数字重聚焦定量理论体系，系统阐明了无先验扩展景深的物理本质。团队首次解耦了物理光学硬约束与计算算法增益，推导出最大可容忍离焦量的解析模型，明确了数字重聚焦的物理边界，为不同需求的光学系统设计提供了精确理论准则。

为验证理论模型的准确性，团队采用4×、10×、20×三种物镜系统开展实验验证，结果与理论预测的误差均小于2%。其中，20×高NA物镜的景深从3.95µm扩展至40µm，实现超10倍的景深突破。

在人类结直肠癌病理切片的极端离焦成像实验中，该技术清晰恢复了组织的精细形态，验证了该技术在生物医学领域的实用价值。

为进一步验证重建结果的物理真实性，团队采用泽尼克模态分解方法，发现重建波前中离焦项始终占绝对主导，且与实际物理离焦呈严格线性关系，反算误差小于1%，终结了学界长期存在的“算法伪影vs真实物理畸变”的学术争议。

此外，研究还揭示了先验融合的本质权衡机制：理想离焦先验虽能提升视觉对比度，但会因未考虑几何渐晕效应导致高频信息衰减，牺牲超分辨率细节；而纯数据驱动的无先验策略反而能保留更宽的高频信息，实现更高保真度的重建。

潘安副研究员团队长期致力于计算光学成像、傅里叶叠层成像及AI +光学交叉领域的研究，近年来在Reports on Progress in Physics、Optica等期刊发表系列论文，主持国家自然科学基金、陕西省重点研发计划等十余项课题。未来，团队将开发自适应动态先验算法，推动实现同时具备超宽景深、超高分辨率的计算显微镜。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0324237