甲辰龙年，时值《激光与光电子学进展》甲子华诞。始创20世纪60年代，激光技术开拓者邓公锡铭，首届主编，岁月积而初心坚，刊名更而光彩炽。今范公滇元倾毕生所学，率卓尔英才，济济一堂。期刊虔其始而厚于终，实其名而增其强。己亥提速半月刊，庚子再辑先进成像专题刊，稿逾三千，于兹蓬勃。回忆曩昔，虽一纸风行，也曾关山难越。今既立百世之师，亦兴当世之光。秉持科学精神，肩负历史使命。敏于思而勤于辨，笃其行而竭其力，为中国激光之进步贡献，拳拳之心六十载，不显自彰^[1]。今日所奉，乃创刊六秩编委特辑，持续推出，尽请关注。

 

       二〇二〇年始，每月下旬出版成像文章，谓之“先进成像”专题刊，填补国内期刊空白。创刊六十周年特辑②聚焦“先进成像”，包括了来自副主编清华大学曹良才教授 “相位恢复波前重构技术的发展与应用”，编委：上海交通大学魏勋斌教授“光学活体流式细胞仪在肿瘤转移研究中的应用”， 长春理工大学郝群教授“激光雷达三维成像研究进展”， 浙江大学匡翠方教授“亚20 nm荧光超分辨显微技术研究进展”，合肥工业大学卢荣胜教授 “光谱共焦传感器关键技术研究进展” 的特邀文章。

 

1、相位恢复波前重构技术的发展与应用（特邀）

作者：魏金文，李儒佳，吴佳琛，张启航，高云晖，曹良才

单位：清华大学

 

文章概述：

 

        光波的相位携带了光传播路径中介质的厚度、折射率等关键信息，然而现有光电探测器件仅能对光强响应，无法直接探测相位。相位恢复波前重构技术通过设计特定成像光路并结合计算的方式，从探测的强度信息中恢复出难以被直接感知的相位信息，进而对波前进行重构，这对成像与智能感知技术的发展有着重要的意义。

 

        基于干涉的波前重构技术，如数字全息技术、散斑成像技术等，具有速度快、精度高的特点，但光路复杂、稳定性低。而非干涉的波前重构技术，如迭代相位恢复、强度传输方程技术等，光路结构简单紧凑，通过优化算法或物理方程逆向推导出波前相位。如何克服相位恢复问题的非凸性和不适定性，快速高效获得全局最优解，是相位恢复问题中的一大挑战。

 

        近年来，深度学习技术利用监督或非监督学习模式，与物理模型或基于物理的算法一起参与波前重构过程，有望突破非干涉波前重构技术中计算时间和重构质量相互制约的瓶颈问题，实现快速高质量波前重构。

 

相位恢复波前重构技术的发展脉络

 

        文章介绍了本课题组在相位恢复波前重构技术领域内取得的一系列创新性算法和系统层面的突破。在傅里叶叠层成像方面，提出了基于全变分正则化的傅里叶叠层成像重建方法，克服了相位恢复问题的不适定性，降低了收敛性对孔径重叠率的依赖，可从稀疏孔径采样中恢复高质量的图像。

 

基于全变分正则化的傅里叶叠层成像

 

       在超分辨成像领域，建立了一种新型像素超分辨框架，在照明光束中引入空间光调制器（SLM）对照明光束的相位进行调制，可将波前信息编码至多次测量的衍射图案中，实现了对生物样本的像素超分辨成像。

 

基于相位调制的像元超分辨成像

 

        在基于深度学习的相位恢复问题中，设计了一种物理增强的Y型神经网络，采用两幅轴向位移衍射图反演波前，无需构建精确的正物理模型，只需要建立具有共同特征的数据集并训练Y型神经网络，就可以求解物理模型较为复杂的振幅、相位重建问题。

 

用于相位恢复的Y型神经网络

 

        当前，相位恢复波前重构技术通过采集冗余信息，增加计算时间来换取相位恢复精度的提高，从而导致求解效率的下降。如何保证算法计算简洁度和效率的同时提高相位恢复精度是相位恢复波前重构技术未来发展的重要方向。

 

2、光学活体流式细胞仪在肿瘤转移研究中的应用（特邀）

作者：张富丽，田华琴，李宏良，魏勋斌

单位：上海交通大学

 

文章概述：

 

        癌症是全球性的致命疾病，严重威胁人类的生命健康。转移是癌症患者的主要死亡原因，对肿瘤转移进行预测、治疗和研究将有助于降低癌症的死亡率。循环肿瘤细胞（CTC）是癌症诊断、分期和预后的重要标志物，检测循环肿瘤细胞和其他与肿瘤转移相关的粒子将有助于研究肿瘤转移。光学活体流式细胞仪（IVFC）作为一种新兴技术，利用激光和荧光标记方法，可以实时、无创地检测血液中的多种粒子，为肿瘤转移研究提供了新手段。

 

       IVFC系统类似传统流式细胞仪，将血管视为流体系统。被荧光标记的细胞流过激光光斑时会发射荧光，利用计算机软件分析探测器接收信号中峰的数量，从而实现细胞计数。IVFC具有高特异性、高检测效率和高灵敏度，广泛应用于肿瘤转移研究。随着技术的不断发展，IVFC结合不同原理产生了不同的分类，包括荧光、光声和图像IVFC。荧光IVFC利用荧光标记检测细胞；光声IVFC利用光声效应检测带色素的细胞；图像IVFC结合计算机视觉算法，可检测多条血管中的细胞，实现细胞的活体检测、计数和跟踪。这些技术各有优势，为肿瘤转移研究提供了有力工具。

 

       IVFC在各类肿瘤转移研究中展现出广泛应用。对于肝癌，IVFC监测CTC有助于理解肝癌转移的机制，并评估治疗方法如切除术和索拉非尼对转移的影响。在前列腺癌中，IVFC揭示了细胞系、宿主环境和肿瘤模型对癌细胞循环动力学的影响，并评估了不同治疗策略如雄激素剥夺治疗和射频消融术对转移的调控作用。对于乳腺癌，IVFC可用于预测肿瘤形成和转移的风险，评估光动力疗法和乳积方给药等治疗方法的疗效，并研究新型靶向药物如PSN-PEG-SS-PTX4胶束和人参皂苷Rg3脂质体的靶向治疗效果。在黑色素瘤中，光声IVFC实现了无创、无标记的CTC监测和消除，为转移瘤的早期治疗提供了新思路。这些研究不仅加深了我们对肿瘤转移机制的理解，还为开发新型治疗方法和提高患者生存率提供了有力支持。

 

       IVFC是一种实时监测血液中循环细胞的光学技术，具有非侵入和高时间分辨率的优势。尽管还面临着检测深度、分辨率以及荧光标记等方面的挑战，随着光学技术的发展，IVFC有望用于肿瘤转移的临床研究。

 

光学活体流式细胞监测系统示意图。CL：柱面透镜；MS1-MS2：机械狭缝；AL1-AL3：消色差透镜；DM1-DM2：二向色镜；M：反射镜；F1-F2：滤光片；OL：物镜；CCD：电荷耦合器件；PMT：光电倍增管；LED：发光二极管

 

3、激光雷达三维成像研究进展与讨论（特邀）

作者：韩斌，曹杰，史牟丹，张镐宇，梁龙，张凯莉，熊凯鑫，郝群

单位：北京理工大学/长春理工大学

 

文章概述：

 

 

       文章聚焦于激光雷达三维成像技术的关键问题和最新发展，全面梳理了该领域的研究现状，并针对不同类型的成像方法进行了深入探讨。激光雷达三维成像相较于二维成像具有信息维度丰富、主动探测能力强以及抗干扰性强等优势，因此在无人驾驶、遥感侦察和航空航天等多个领域得到了广泛应用。

 

       随着技术的进步，激光雷达的核心器件功能有所提高，如APD阵列的制造能力增强，显著提升了成像效率。同时，三维成像技术经历了快速革新，特别是扫描式与非扫描式两种主要成像方式均有重大突破。以扫描与非扫描成像方式为分类主线，详细介绍了以下几种技术。光楔扫描：利用光楔旋转实现精确的光束偏转，具备精度高和动态性能优良的特点；转镜扫描：通过单面或多面转镜改变光路方向，以实现高速大视场扫描；振镜扫描：依靠两个相互垂直振镜进行二维扫描，具有扫描角度大、精度高且速度较快的特点；微机电系统（MEMS）扫描：采用小型化MEMS反射镜作为核心元件，通过控制MEMS反射镜的摆动实现光束的偏转，具有体积小、功耗低、频率高及响应快等特点。光学相控阵（OPA）技术作为一种非扫描式的三维成像方法，通过调控发射单元的相位差来实现光束合成和定向偏转。

 

       之外，文章还讨论了两种适用于激光三维成像的方法。一种是突破器件束缚的三维鬼成像/单像素成像技术：主要探讨了基于量子纠缠或单光子探测的鬼成像技术如何通过关联运算获取物体的二维或三维图像，展示了该技术在提高信噪比、分辨率以及抗湍流和散射能力方面的优势。另一种是非均匀分辨率成像方法：针对“大场景、小目标”的应用场景，如无人驾驶、遥感侦察和机器人避障，阐述了非均匀分辨率成像策略在平衡数据量与实时性方面的关键作用。

 

       综上，通过对激光雷达三维成像研究现状的详尽分析和典型实例的介绍，揭示了该领域面临的挑战及其解决策略，为推动激光雷达三维成像技术的进一步发展提供了理论依据和技术参考。

 

4、亚20 nm荧光超分辨显微技术研究进展（特邀）

作者：何辰颖，詹政以，李传康，黄宇然，匡翠方，刘旭

单位：浙江大学

 

文章概述：

 

       传统光学显微技术受到衍射极限的限制，无法观察到细胞器和生物大分子水平的物质结构和生命活动，因此，超越衍射极限的荧光超分辨显微技术在20世纪90年代应运而生。经典的超分辨显微成像技术可以分为三类：受激发射损耗显微（STED）技术、单分子定位成像显微（SMLM）技术和结构光照明显微（SIM）技术。

 

       随着生物医学研究需求的变化，荧光超分辨显微成像技术也在分辨率、成像速度、视场大小、成像深度等方面不断进步，其中成像分辨率提升的成果尤为显著。经过数十年的发展，超分辨显微技术的横向分辨率可达亚20 nm，甚至定位精度达到埃米（1 Å = 0.1 nm）量级，能够以接近分子尺度的分辨率对核孔、染色质复合物和细胞骨架丝等生物结构进行成像。

 

典型超分辨显微成像技术及发展概述

 

       文章从经典超分辨技术的深度发展和结合创新两方面展开，详细介绍横向分辨率为亚20 nm的新一代荧光超分辨显微技术。针对STED技术中高损耗光强导致的光漂白和光毒性问题，MINFIELD技术改变了扫描策略，专注于更小的成像视场，可实现亚20 nm的横向分辨率；针对SMLM技术中荧光光子预算有限的问题，DNA-PAINT技术改变了样品的标记方法，能够从单个结合位点获取更多光子进行定位，可实现优于10 nm的横向分辨率。结合三类经典超分辨技术的思想，诞生了调制照明定位显微（MILM）技术。MILM技术对激发光进行调制，通过激发光的位移和获得的光子数分布进行定位，提高了单个光子携带的定位信息量，从而显著提高了横向分辨率。点扫MILM技术包括MINFLUX技术以及MINSTED，其定位精度高达1 nm甚至Å量级；宽场MILM技术则包括SIMPLE、ROSE以及SIMFLUX技术，在光子数相同的条件下，定位精度相较传统SMLM提升约两倍。

 

        这些超高分辨率技术能够实现分子尺度的定位、成像与追踪，在分子动力学和细胞生物学等领域内潜力巨大。但在实际应用中，分辨率并非唯一重要的指标。显微技术发展的最终目的是为生物学研究提供更有意义的数据和结果。因此，亚20 nm荧光超分辨显微技术未来的发展方向应考虑以下几方面：提高系统稳定性，提高成像速度，降低样品标记要求，扩展成像维度，与其他成像技术结合，从而为生物医学研究提供更多的可能性。

 

5、光谱共焦传感器关键技术研究进展（特邀）

作者：卢荣胜，张紫龙，张艾琳，封志伟，徐艳，杨刘杰

单位：合肥工业大学

 

文章概述：

 

光谱共焦传感器结构原理及其应用示例

 

       光谱共焦测量传感器无需使用机械扫描机构即可实现大范围的轴向绝对测量，它不仅能测量位移，还可以测量透明物体的厚度（如多层膜的膜厚）；对被测物体表面的纹理和粗糙度具有良好的适应性。光谱共焦传感器具有测量精度高，检测速度快，集成度高等技术优势，为表面形貌、工件厚度、粗糙度、透明材料厚度测量提供一种全新的技术手段。因此，在手机、平板显示、半导体等先进制造领域具有广阔的应用前景。

 

       光谱共焦传感器可以分为点光谱共焦传感器和扫描光谱共焦传感器。点光谱共焦传感器在与光轴垂直的轮廓上单次只能测得一个点的位置，而后者单次测量可以得到一个截面轮廓数据。光谱共焦传感器是利用色散物镜将大约400~700 nm波长范围的宽光谱可见光光源按波长大小依次聚焦在光轴上，并通过光谱仪将波长转换为高度信息。它由色散物镜、宽光谱光源、光谱检测装置和光谱信息处理几个关键单元组成。

 

       回顾国内外光谱共焦测量技术的发展历程，大量程、高精度、高速测量一直是研究者追求的目标。对点光谱共焦传感器，研发需要继续攻克的关键技术主要是高亮且均匀的宽光谱光源、像质优良的色散物镜和高速灵敏的光谱仪等。对于扫描共焦传感器，除了点光谱共焦传感器涉及到的关键技术外，研发同轴连续线光谱共焦传感器和高速区域扫描光谱共焦传感器，具有更好的应用前景。

 

       论文首先介绍了光谱共焦测量原理，分析了构成光谱共焦传感器的关键器件；然后针对点光谱共焦传感器，综述了构成传感器的色散物镜、宽光谱光源、光谱检测装置以及光谱处理算法等关键技术方面的研究进展；其次针对线扫描光谱共焦传感器，综述了扫描方式、光路结构、光谱检测装置以及光谱信息处理方法等方面关键技术。最后，总结了当前光谱共焦传感器的研究重点、难点以及未来的技术发展方向。

 

参考文献：

张雁. 六十载砥砺前行薪火传，新时代激光音符奏华章——《激光与光电子学进展》创刊六十周年[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(1): 0100001.

 

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/rWQWngcwhr5GJU1UNy2LoQ