利用深度学习扩展双光子成像视场

双光子成像技术已被广泛应用于活体肿瘤成像、神经功能成像以及大脑疾病研究等领域,但双光子成像视场较小（视场直径一般在1 mm以内）,限制了其进一步应用。虽然通过特殊的光学设计或者自适应光学技术能够有效增大视场,但复杂的光路设计、高昂的器件成本以及繁琐的操作过程限制了这些技术的推广。提出了一种利用深度学习技术替代自适应光学技术扩展双光子成像视场的新思路,在低成本（无须特殊物镜,无须相位补偿装置）、易操作的前提下实现了大视场双光子成像。设计了一种适用于光学显微系统中扩展双光子成像视场的nBRAnet网络框架,为使该网络框架可以更好地利用特征图信息,在该框架中引入残差模块和空间注意力机制,同时去除了数据归一化处理,以增加图像对比度信息。实验结果表明：所提深度学习方法可以有效地代替自适应光学技术,增强扩展视场中的精细结构特征,并恢复扩展视场的成像分辨率和信噪比,使双光子成像视场直径扩展到3.46 mm,峰值信噪比超过27 dB。深度学习方法具有成本低、操作简单、图像增强效果显著等特点,有望为跨区域脑成像或全脑成像提供一种经济实用的方案。     

高通量单分子定位显微成像技术进展（特邀）

由于衍射极限的存在,传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术,为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高、成像范围大和成像时间短等特点,在生物医学领域广泛用于观察和分析复杂的生物结构和功能。从基于硬件扫描的拼接成像技术、基于大面阵sCMOS的大视场高通量成像技术、大景深单分子定位成像技术、高通量数据分析技术4个方面回顾近年来大视场高通量单分子定位技术的研究进展。最后,对大视场高通量单分子定位成像技术的发展方向进行展望。     

基于散斑相关的宽视场成像技术研究进展（特邀）

散射成像技术因具备透过生物组织等散射介质后清晰成像的能力而受到广泛关注。近年来,基于散斑自相关的成像方法以其非接触、无需先验信息且能够单帧成像的特点得到迅速发展。然而,散斑自相关成像受光学记忆效应的限制。当多个目标之间的距离在记忆效应范围之外时,基于散斑自相关的成像方法会导致目标自相关信息在相关域发生混叠,导致成像严重退化。文中在光学记忆效应及散斑自相关成像基本原理的基础上,首先介绍了基于散斑自相关和与散斑相关成像有关的其他散射成像技术。接着介绍了拓展光学记忆效应的主要技术及相关应用。最后总结了基于散斑相关的宽视场成像技术目前存在的问题,并对未来的发展应用进行了展望。     

微型化显微成像系统的关键技术及研究进展（特邀）

神经环路动态功能的解析是当前脑科学领域的重点和难点,微型化显微成像技术为其研究提供了重要手段。相较于双光子荧光成像和光纤光度法,微型化显微系统能够在模式动物自由活动状态下进行长时程、单细胞分辨率、实时成像。近十几年来,科学家们围绕可穿戴、高稳定性要求,先后研制了单光子、多光子成像系统,并从荧光探针、光电子元件、数据传输等方面进行不断优化,提升系统性能,扩展应用范围。将从成像原理、基本结构、系统优化、应用方案及未来发展方向等方面对微型化显微成像系统进行分析和讨论,综述各方向研究进展,旨在为该领域技术提升和神经科学应用提供参考。     

快速三维荧光显微成像技术的研究进展（特邀）

荧光显微成像具有高分辨率、高灵敏度、高分子特异性以及非介入性的优点,可以在微米乃至纳米尺度下表征样本的形态学与分子功能学信息,成为了生命科学研究的重要工具。随着微观生物学研究的不断深入,荧光显微成像被期待能够动态且立体地观测微观生物结构与分子事件。文中系统性地梳理了近年来快速三维荧光显微成像技术的研究进展,包括点扫描式成像、宽场成像与投影断层成像在提高成像速度、拓展成像维度以及增强成像质量等方面的主要技术手段、改进策略与代表性研究成果,并展望了快速三维荧光显微成像技术的未来挑战与发展前景。     

单物镜光片三维荧光成像技术研究进展（特邀）

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤,成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像,这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和微镜微器件反射技术为代表的单物镜光片显微技术突破上述限制,展示出在高分辨率和体积高速成像方面的优势,并且可与超分辨显微术等多种技术结合,在近年来取得了巨大发展。介绍单物镜光片显微成像技术的原理、关键性能的提升和其在生物医学的应用。     

自适应光学在双光子显微成像技术中的应用

光学显微镜是生物医学研究必不可少的工具,其中双光子显微成像技术具有大深度三维显微成像功能,被认为是深层生物组织研究的首选工具。但是,在双光子成像系统使用过程中,光学系统的装配偏差、光学元件不理想以及生物样品的不均匀性都会在成像过程中引入像差,从而降低成像质量。通过在双光子显微成像系统中引入自适应光学技术,可实现对像差的有效校正,从而提高成像的分辨率、深度和视场。介绍了双光子显微成像中的像差来源和特点,概述了自适应光学技术中不同的探测和校正方法,综述了近年来自适应光学技术在双光子显微成像中不同的应用成果,最后对自适应光学在双光子显微成像中的发展进行了展望。     

大视场大相对孔径大面阵CCD成像光学系统设计研究

光学系统结构型式为复杂化双高斯型,采用准远心光路,全视场角和相对孔径分别达到60°和F/2,光学系统达到MTF=0.45的成像质量对应的空间频率为55 lp/mm.对该系统的结构特点进行分析和讨论,给出各种像差曲线和传递函数曲线,并对系统进行误差分析和公差预算.     

深组织光片荧光显微成像研究进展（特邀）

随着生物医学研究对复杂组织结构和功能的深入探索,高分辨率、高信噪比的深组织成像技术变得愈加重要。传统的显微镜技术往往局限于二维、透明的生物薄样本的观测,这在很大程度上无法满足当前生物医学领域对三维深组织体成像的研究需求。光片荧光显微镜凭借其低光损伤、高采集速率、大视场、体成像等优点被生物学家广泛使用。然而,生物组织固有的高散射特性仍然为深层成像带来了巨大的挑战。本文重点介绍了光片荧光显微成像技术在深组织成像领域的最新进展,特别是应对高散射样本挑战的解决策略,旨在为相关领域的研究人员提供有价值的参考,助力其对该前沿技术的最新进展和应用前景的理解。首先,阐述了光片荧光显微镜的基本原理和高散射吸收特性的形成原因及影响;然后,进一步阐明了增加组织穿透深度、应对光散射和吸收等问题的最新进展;最后,探讨了具有大穿透深度和强抗散射能力的光片荧光显微成像技术的发展前景以及潜在应用。     

显微成像系统分辨率问题讨论（特邀）

空间分辨率是光学显微成像系统的核心指标,根据光学衍射理论,成像系统的空间分辨率由照明光波长与显微物镜的数值孔径共同决定。而在实际成像过程中,根据不同判据得出的显微成像系统分辨率略有差异,需要根据光源的相干性和被观测目标的结构等特征选择合适的判据来准确计算成像系统分辨率。通过理论分析和数值模拟,给出了不同情况下成像分辨率的计算方法,并对比了在相干光源和非相干光源照明下,对双缝目标和双点目标成像时成像分辨率的差异。     

视场增强的平板艾里光片显微镜研究（特邀）

光片显微镜是近些年来研究较多的生物成像技术,相较于传统的激光共聚焦扫描显微镜而言,光片显微镜能够实现快速、低光毒性的体积成像。光片显微镜的照明光束可以选择高斯光束或其他无衍射光束（如贝塞尔光束、艾里光束等）。艾里光片显微镜是目前研究较多的技术,但是普通的艾里光片显微镜存在一个较大的问题,艾里光束具有自弯曲的特性,导致艾里光片在视场的两端超出探测物镜的景深范围,无法发挥出最优的成像效果。将艾里光束旋转45°形成平板艾里光片,使艾里光片不超出探测物镜的景深,以增大光片显微镜的成像视场。并利用双光子荧光激发技术,免除图像的后处理过程,大大提高了成像的效率。利用Matlab进行光学仿真,得到平板艾里光片显微镜的成像视场（~900 μm）比普通艾里光片显微镜的成像视场（~600 μm）增加了50% 。搭建的平板艾里光片显微镜利用荧光微球进行校正实验,得到成像系统的横向分辨率为(1.93±0.17) μm,轴向分辨率为(3.19±0.41) μm。对斑马鱼脑出血模型的实时观测中,可以得到时间分辨率为x×y×z = 0.60 mm×0.60 mm×0.40 mm/60 s 的成像结果,并可以对局部血管的生长和发育进行实时监测,有利于脑出血疾病的机制探究。     

CRISPR/Cas9系统活细胞成像技术进展（特邀）

CRISPR/Cas9系统因其高效、操作简便、物种适应性广等优势被广泛应用于基因编辑领域,该系统是由靶向目标DNA序列的引导RNA （sgRNA）和具有切割酶活性的Cas9蛋白组成。近年来,通过将核酸酶失活的Cas9突变体dCas9 （dead Cas9）或sgRNA与荧光蛋白（FPs）、有机染料、量子点（QDs）结合开发出一系列超分辨活细胞成像技术,该技术有助于在更高分辨率下研究不同基因、染色体以及基因与染色体之间的时空关系,对促进遗传学、细胞生物学和生物医学等领域的快速发展具有重要意义。文中主要总结基于CRISPR/Cas9系统的活细胞成像技术的最新进展,有望进一步扩大活细胞成像技术在生物医学领域的广泛应用。     

近红外二区共聚焦显微技术的进展及应用（特邀）

共聚焦显微镜具有较高的空间分辨率和信号背景比,能对生物样品进行三维层析成像,在医学与生物学领域有着广泛的应用。近红外二区（NIR-II,900~1 880 nm）波段的光在生物组织中具有适中的吸收、较低的散射,以及非常弱的生物组织自发荧光,因此,NIR-II荧光活体成像具有大深度、高对比度等优势。点激发、点探测的NIR-II共聚焦显微技术结合了上述二者的优势,在大深度生物成像中具有高空间分辨率和高信号背景比等优点,因此在生物医学领域得到了广泛应用。此综述将从NIR-II共聚焦显微技术的原理出发,阐述其发展进程、以及基于此项技术开展的生物医学成像应用,探讨NIR-II共聚焦显微技术未来的改进和发展方向。     

基于深度学习的荧光显微性能提升（特邀）

荧光显微镜具有对样品损伤小、可特异性成像等优点,是生物医学研究的主流成像手段。随着人工智能技术的快速发展,深度学习在逆问题求解中取得了巨大成功,被广泛应用于诸多领域。近年来,深度学习在荧光显微成像中的应用掀起了一个研究热潮,为荧光显微技术发展提供了性能上的突破与新思路。基于此,首先介绍了深度学习的基本网络模型,然后对基于深度学习的荧光显微成像技术在荧光显微的空间分辨率、图像采集及重建速度、成像通量和成像质量提升方面的应用进行阐述。最后,对目前深度学习在荧光显微成像中的研究进行总结与展望。     

荧光金纳米团簇探针的生物成像应用进展（特邀）

金纳米团簇（AuNCs）因兼具优异荧光特性、超小尺寸、精确化学组成及良好生物相容性等优势,使其成为近些年备受关注的新型荧光探针。为了推动荧光AuNCs在成像领域的应用,研究者们一直致力于发展高性能荧光AuNCs的设计与制备策略。基于对AuNCs结构与发光机制的理解,诸如提高荧光量子产率和细胞摄取率等策略陆续被提出以增强AuNCs的细胞成像效果,极大提升了其作为荧光成像探针的潜力,并将AuNCs的应用推广至荧光寿命成像、多光子成像等新兴荧光成像技术。近些年发展的具有近红外二区荧光的AuNCs进一步推动了其在活体成像的应用。文中概述了AuNCs的制备方法、提高AuNCs细胞荧光成像效果的各种策略,以及AuNCs荧光成像应用的最新进展,并对该领域的挑战和未来发展进行了展望。     

超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用（特邀）

观察细胞器间动态相互作用,深入分析作用规律,对于揭示生理病理过程现象背后的机制具有十分重要的意义。传统光学显微镜受到由光波波长和孔径造成的衍射极限的限制,无法观测细胞器纳米级精细结构及细胞器间相互作用的动态变化规律。超分辨显微成像技术的出现为细胞器相互作用研究提供了重要手段,在深入揭示细胞器相互作用规律,阐明生理病理现象深层的机制研究中发挥了重要的作用。文中介绍了受激发射损耗（Stimulated emission depletion, STED）显微成像、结构光照明显微成像（Structured illumination microscopy, SIM）、单分子定位显微成像（Single molecule localization microscopy, SMLM）技术,并总结了这三类超分辨显微成像技术在细胞器相互作用中的应用与现状,为超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的应用提供思路拓展。最后,对超分辨显微成像技术在细胞器相互作用研究中的优势与不足进行分析总结,展望了超分辨显微成像技术在活细胞内细胞器相互作用成像中的需求发展趋势,为光学与医学及生物学的交叉融合发展提供一定的参考。     

激光清洗研究综述(特邀)

激光清洗是通过把高亮度和方向性好的激光照射到物体待清洗的部位,使激光器发射的光束被污染层和/或基底吸收,通过光剥离、汽化等过程,克服污染物和基底之间的粘附力,使污染物离开物体表面,达到清洗目的,且不损伤物体本身的物理清洗技术。20世纪80年代以后,激光清洗技术得到了越来越多的关注。40年来,激光清洗作为一种新型高效的环保清洗技术,得到了飞速发展,在电子元器件清洗、文物保护和脱漆除锈等领域得到研究并获得了应用。2010年以后,对激光清洗研究进一步深入,在激光清洗的检测和智能控制方面取得较大成果,并且在激光清洗机理方面也取得了进展。中国科学家在这个过程中也做出了贡献。介绍了激光清洗原理、特点、源起,对40余年的激光清洗发展做了综述,并介绍了国内近年来激光清洗的研究动态。     

短波红外单光子探测器的发展(特邀)

InP/InGaAs短波红外单光子探测器(SPAD)是目前制备技术较为成熟且获得广泛应用的单光子探测器,通过半导体热电制冷(TEC)即可达到的工作温度(-40℃左右),具有体积小、成本低,方便安装和携带的应用优势;另外,基于常规半导体二极管的芯片制造工艺很容易实现大面阵单光子阵列,除了探测信号,还具备三维数字成像功能。国外包括美国、瑞士、意大利、韩国、日本等对InP/InGaAs SPAD进行了长期持续的研究,目前已研制出单管的货架产品,性能还在不断的优化和改进之中,其单光子探测器阵列呈现了清晰的三维成像效果,正在逐步应用。国内包括重庆光电技术研究所、中国科学院上海技术物理所、西南技术物理研究所、中国科学技术大学、云南大学等对InP/InGaAs SPAD芯片先后进行了器件设计和器件制备研究,目前单管的性能已经达到与国外报道相当的性能。国内单光子探测器阵列的研究获得了一定的进展,但芯片规模和器件性能有待提升。文中对国内外InP/InGaAs短波红外单光子探测器的发展,在设计和研制中存在的问题,以及近10年来的优化改进进行了介绍,重点介绍了高温、高速以及单光子焦平面阵列的发展,并结合新颖...     

大口径硅基空间红外透镜的高精度加工与检测（特邀）

随着红外技术的不断发展,空间大口径红外光学元件的需求日益增长,其各项制造指标也逐渐接近可见光级光学元件的制造要求,由此对新型空间红外光学元件的加工和检测技术均提出了更高的挑战。针对大口径的高陡度超薄硅基红外透镜,提出了以超声铣磨-机器人研抛-离子束精抛为工艺链路的加工方案,改善了传统红外工艺路线存在的低效率、表面高频误差等问题。针对凸非球面轮廓检测中支撑引起的测试误差,在粗抛和精抛阶段分别采用了柔性缓冲支撑与三点强迫位移支撑方法,有效解决了大口径高陡度超薄透镜测试中的支撑变形问题。经过理论仿真与实验验证,证明该测试方法具有较好的一致性。通过改进的轮廓检测方法,实现了轮廓测试中支撑误差的准确分离,有效提升了加工的极限精度。最终大口径红外透镜凸非球面加工精度达RMS λ/50 （λ=632.8 nm）,满足设计指标要求。