一台旨在摆脱旧工程权衡的显微镜
显微镜设计长期以来都受制于一个顽固的折中。研究人员通常可以优化高分辨率、宽视野或高速成像中的某一项，但改善其中一项往往会削弱至少另一项。这种权衡限制了科学家在希望同时看到动态生物活动的细节与大尺度图景时，能够观察到的内容。
如今，一支由加州大学伯克利分校领导的团队表示，他们构建了一台改变这一平衡的计算显微镜。在发表于 Nature Photonics、并由 Phys.org 介绍的工作中，研究人员开发出一种能够以快于视频的速度，在数厘米范围内实现微米级分辨率的系统。其报告的吞吐量为每秒25.2亿像素，将大范围成像与精细细节结合到一起，而这在传统显微镜架构中很难实现。
如果这一性能能够很好地转化到真实的实验室工作流程中，它可能会扩大显微镜的用途，尤其是在涉及大量移动生物或需要随时间跟踪的大型活体样本的实验中。
为什么这很重要
显微镜中的传统问题很容易描述，但很难解决。高倍设置可以揭示微小结构，但通常只能覆盖有限区域。更宽的视野可以显示样本更多部分，但通常细节更少。高速成像又增加了另一层限制，因为以更快速度采集更多数据会给光学系统、传感器或处理流程带来压力。
伯克利团队的系统试图同时推动这些边界。根据报道，这台显微镜在每秒120帧的条件下，能够在超过5平方厘米的范围内实现3微米分辨率。首席研究员劳拉·沃勒将这一结果描述为计算显微镜领域的突破，并表示这种分辨率、面积与速度的组合无法用传统方法实现。
其意义不仅仅是性能表上的一个更大数字。一台能够在大场景中观察许多自由移动生物，同时仍能分辨微米级特征的显微镜，可能会让某些实验更容易开展，也更便于分析。
系统如何工作
该设计使用48个摄像传感器阵列，而不是依赖单个探测器。它还使用一种衍射光学元件，在像面上生成分布式多点点扩散函数。更简单地说，光学系统有意以一种后来可以通过计算重建的方式来编码视觉信息。
这很重要，因为48个传感器被排成带有间隙的网格。在正常情况下，这些间隙意味着图像信息会丢失。团队则使用报道中所说的计算成像技巧，将原本会落入这些空白区域的图像部分进行压缩编码。随后，再通过一个计算逆问题恢复完整尺度的图像。
这种方法反映了成像科学中的更广泛转变。研究人员越来越多地不再让光学系统独自承担全部工作，而是共同设计硬件和算法，让两者相互补足彼此的局限。在这里，显微镜的性能依赖于这种配对。光学设置生成信息丰富的信号，而计算重建将其转化为可大规模使用的图像序列。
研究人员展示了什么
文章重点介绍了在超过5平方厘米视野中对自由移动的C. elegans进行成像。这是一个有用的演示案例，因为它同时结合了运动、数量和生物学相关性。在高倍下跟踪少数生物是一项挑战，而在不牺牲细节的情况下在大范围内跟踪许多生物则是另一项挑战。
研究人员表示，该系统为同时对许多活体生物成像并随时间监测样本打开了大门。这意味着它可能在行为生物学、发育研究、筛选流程，以及其他需要持续观察大规模群体或大尺寸样本的场景中具有价值。
速度在这里至关重要。以每秒120帧的速度，该系统不只是生成静态的超大图像。它以足够快的速度捕捉动态过程，能够分辨在较慢系统中可能被模糊或错过的运动。这在研究对象会在瞬间改变形态、位置或相互作用状态时尤为重要。
计算显微镜的更广泛意义
这一进展也说明，计算显微镜正从一种小众方法成熟为一种实用的工程策略。多年来，从编码测量中恢复更多信息的想法一直有望突破成像中的物理瓶颈。挑战在于构建出重建足够稳健、整体设置又足够实用、可用于真实场景的系统。
伯克利的工作指向一种未来：显微镜的性能不仅由镜头和传感器尺寸决定，还由仪器的整体信息架构决定。传感器阵列、结构化光学编码和重建算法成为同一台机器的一部分，而不是彼此分离的技术层。
这可能远不止影响一台仪器的设计。如果类似方法能够适配到其他显微成像场景，实验室就可能获得观察此前必须在细节与覆盖范围之间做选择的新方法。限制性问题将不再是要牺牲哪个性能维度，而是研究人员愿意在校准和计算中接受多大的复杂性。
接下来要关注什么
报告中的结果令人印象深刻，但其长期影响将取决于该技术能在多大范围内应用，以及该系统在开发实验室之外变得多么易于获取。高性能原型往往先验证概念，随后才进入将这一概念转化为可重复研究工具的更艰难阶段。
即便如此，核心结果本身也已经值得注意。该团队报告了一种实用显微镜，具有异常大的空间-带宽-时间积，在单一平台上结合了高细节、广覆盖和快速成像。对于一个长期受制于折中的领域来说，这是一项有意义的技术转变。
在显微镜领域，进步常常被描述为更清晰的图像或更快的采集。这项工作之所以突出，是因为它同时主张了这两点，并且把视野扩大到足以改变最初能够开展的实验类型。这也是为什么这项研究看起来更像是对光学与计算之间平衡关系的一次重新设计，而不是一次渐进式的传感器升级。
本文基于 Phys.org 的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org