计算显微镜：以每秒252亿像素的速度捕捉宽视场画面

在设计显微镜时，光学工程师长期面临速度、视场和分辨率之间的权衡。改善其中一项性能，往往需要牺牲另一项。如今，加州大学伯克利分校牵头的一个研究团队找到了应对这一挑战的方法，为显微学领域开启了新的可能。

在《自然·光子学》期刊发表的一项研究中，研究人员设计了一种计算显微镜，能够以超视频帧率在数厘米的区域内捕捉微米级分辨率图像。利用由48个相机传感器组成的阵列和计算成像"技巧"，他们的新型显微镜能以每秒252亿像素的速率拍摄视频——前所未有地兼顾了高细节放大、宽视场和高速成像。

该研究的首席研究员、电气工程与计算机科学教授Laura Waller说："这确实是计算显微学领域的一项突破，借助我们的显微镜，我们能够在5平方厘米的区域内以每秒120帧的速度实现3微米的分辨率，这是传统方法无法做到的。据我们所知，这是所有实用显微镜中最大的时空带宽积。"

她补充道："我们的方法可用于同时对众多活体生物进行成像，并长时间监测样本。"

弥补传感器间隙

多年来，光学工程师一直在与时空通量限制作斗争。这意味着显微镜无法同时捕捉高细节的空间信息（如高分辨率或大视场）和快速的时间信息（如高帧率）。这些限制使得拍摄高动态样本（如自由移动的生物体）的精细细节变得非常困难。

为克服这一难题并实现快照级千兆像素成像，研究人员构建了一台集相机传感器阵列、工程化衍射光学元件和优化处理算法于一体的显微镜。

这台新型显微镜采用了一块预先制造好的、包含48个独立传感器的阵列，能装配在一张信用卡大小的电路板上。显微镜工作时，该阵列如同一个巨型单一传感器运作，增加可捕捉的像素数量，从而提升图像保真度。但这种设计也带来了一个问题：阵列中的传感器之间存在间隙，光线（以及由此产生的数据）在此处无法被捕捉，导致难以完整重建整幅图像。

Laura Waller解释说：“为填补这些间隙，研究人员运用了压缩感知技巧。具体来说，我们制造了一个定制设计的相位掩模——一种在显微镜中衍射光线的玻璃板——这样，原本会落在传感器间隙的光线就会被重新导向到传感器上，再利用计算算法，我们就能够填补数据空白并重建图像。"

高速追踪线虫

随后，研究人员通过对静态和动态样本进行成像，展示了其显微镜的多功能性。对于静态样本，他们发现重建图像的全局特征与传统低分辨率图像高度吻合，但他们的重建图像实现了更高分辨率。对于动态样本，他们以每秒120帧的高速对数十只自由移动的秀丽隐杆线虫进行了15秒的成像，结果令人瞩目。

第一作者Kevin C. Zhou说："我们这台计算显微镜兼具高分辨率、宽视场和高速的能力，使我们能够追踪自由移动的秀丽隐杆线虫，以及它们体内的某些结构。例如，通过视频重建，我们能追踪单条线虫，并对其快速的咽部泵吸（它们摄食行为的一部分）进行功能成像。"

据研究人员介绍，他们的计算方法还省去了如此大型的显微镜通常所需的繁琐手动校准，节省了宝贵的时间和精力。合著者、电气工程与计算机科学系博士生Chaoying Gu指出："我认为，像我们这种方法那样的免校准能力，将被证明是未来扩展成像系统规模的关键要素之一。"

扩大视频显微术的规模

Waller认为，这项工作最终可能有助于推动计算显微学领域的发展。她说："在超大规模视频显微术方面，已经有了很多进展，未来也还有许多进步空间，我们的研究表明，计算成像——硬件与软件的联合设计——在扩大到大数据采集方面大有可为。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-026-01974-4