中科大微纳量子传感团队实现直接从显微镜图像学习成像机制 2023-12-13

近日，中国科学技术大学微纳量子传感团队在光学显微成像领域取得了一项重要进展，实现了直接从显微镜的原始图像中学习成像机制。相关成果以“Learning the imaging mechanism directly from optical microscopy observations”为题目，发表在光学领域的知名期刊《Photonics Research》上。

光学显微成像在探索纳米世界中发挥着关键作用，其成像的机制可描述为点扩散函数与发光体的卷积过程，在精确测量点扩散函数时，研究人员能够以超越衍射极限的分辨率计算荧光物质的空间分布。然而，如何在任意条件下直接从显微成像原始图像中提取点扩散函数仍然是一个未解决的挑战。

                                                                                         图一：PiMAE方法

研究团队针对上述问题提出了一种新颖的计算方法——物理信息掩码自编码器（PiMAE）。PiMAE方法将点扩散函数视为隐藏在原始显微图像中的模式，将荧光物质视为原始图像的稀疏表示。通过自监督学习方法，无需额外的数据标注，仅需5张原始测量图像即可精准的学习到成像过程的PSF。 在合成数据实验中，PiMAE展现了优秀的的准确性和鲁棒性，其性能在标准化均方根误差（NRMSE）指标上比DeepSTORM和Richardson-Lucy算法分别提高了19.6%和50.7%。此外，在真实世界的显微成像实验中，基于PiMAE的宽场显微镜可以得到接近结构光照明显微镜的成像结果。这项研究提出了一种提取物理现象隐藏机制的新范式，为科学数据的处理和分析提供了新的视角。

中国科学技术大学光学与光学工程系孙方稳教授为该论文的通讯作者，博士研究生王泽昊、单隆坤为该论文的第一作者。本项研究得到安徽省科技厅的资助，也得到了中国科大物理学院、中国科大微纳研究与制造中心、中国科学院量子信息重点实验室的支持。

https://doi.org/10.1364/PRJ.488310