如何将望远镜和显微镜融合为一体（在不影响分辨率的情况下）

科学家开发出了一种方法，可以在不影响分辨率的情况下将双光子显微镜成像速度提高五倍！这种创纪录的成像速度将使科学家们，能够观察到以前过于短暂而无法用当前最先进显微镜成像的生物现象。在光学学会(OSA)出版的《光学通讯》(Optical Letters)期刊上，由香港中文大学Shih-Chi Chen领导的研究人员，描述了他们如何将一种称为压缩成像的计算成像方法，与一种更快的扫描方法结合起来。

使用这种新方法在不到一秒时间内获得了花粉颗粒的双光子显微镜图像，使用传统的方法这将需要五倍的时间。这种基于压缩传感的双光子显微镜方法，将有助于可视化神经网络或同时监测数百个神经元的活动。

通常，神经元在10毫秒的时间尺度上传输信号，而传统系统太慢了。双光子显微镜工作原理是将超快的红外激光脉冲传输到样品中，在样品中与组织或荧光标记相互作用，这些组织或荧光标记发出用于创建图像的信号。

双光子显微镜被广泛用于生物学研究，因为它能够产生高分辨率的3-D图像，深度达1毫米。然而，这些优点带来了有限的成像速度，因为微光条件需要逐点图像采集和重建的点检测器。为了加快成像速度，科学家之前开发了一种多焦点激光照明方法，该方法使用数字微镜设备(DMD)，这是一种通常用于投影仪的低成本光扫描仪。此前人们认为这些DMD不能与超快激光一起工作。然而现在解决了这个问题，这使得DMD在超快激光应用中得以应用，这些应用包括光束整形、脉冲整形、快速扫描和双光子成像。

DMD在样品内随机选择的位置上产生5到30点聚焦激光。每个光点的位置和强度由投射到设备上的二元全息图控制。在每次测量期间，DMD反射全息图以改变每个焦点的位置，并用单像素探测器记录双光子荧光的强度。尽管在许多方面，DMD多焦点扫描比传统的光栅扫描更灵活和更快，但速度仍然受到设备可以形成光图案的速率限制。在新的研究中，研究人员通过将多聚焦扫描与压缩传感相结合，进一步提高了成像速度。

这种计算方法能够以较少的曝光进行图像重建，因为它在单个步骤中执行采样和图像压缩，然后使用算法来填充缺失的信息。对于双光子显微镜，它能使用比传统方法少70%到90%的曝光来重建样本。在进行了模拟实验以展示新方法的性能并确定最佳参数后，研究人员用双光子成像实验对其进行了测试。这些实验证明了该技术在任何视场都能以高成像速度产生高质量3-D图像的能力。例如，能够在0.55秒内从花粉颗粒的五层获取图像。

每层测量100×100像素，用光栅扫描获得的相同图像花费了2.2秒。在成像三维样品中任意选择的区域时，在不牺牲分辨率的情况下，在成像速度上实现了3到5倍的增强，这种基于压缩传感的新方法将有助于光遗传学等方法使用，其中光被用来控制神经元，并将导致生物学和医学方面的新发现。研究人员正在努力进一步提高重建算法的速度和图像质量，还计划将DMD平台与其他先进的成像技术一起使用，例如深层组织成像的波前校正。

博科园｜研究/来自：光学学会

参考期刊《光学快报》

DOI: 10.1364/OL.44.004343

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