据中国激光杂志社网，于2025年10月05日报道，低光量，高保真：轴向编码让多光子显微更快更安全。
多光子显微的速度瓶颈
多光子显微镜（MPM）是生命科学中进行深层组织三维成像的关键工具，尤其在神经元、血管网络等结构的活体观测中具有不可替代的作用。然而，获取一幅完整的三维图像通常需要沿轴向逐层扫描，每次仅采集一个焦平面，存在成像效率低、光剂量高的问题，限制了其在快速生物动态过程中的应用。尽管过去十年出现了诸如非机械调焦、飞秒激光延迟编码、光束复用等多种技术路径试图突破这一瓶颈，但仍存在一些问题，例如系统复杂、适用层数有限、串扰难控等。针对这些限制，来自香港大学与厦门大学的研究团队提出了一种全新的成像策略——AIMED（Arbitrary Illumination Microscopy with Encoded Depth，轴向编码显微成像），通过在光学轴向编码和图像重建两方面的创新，实现以极低系统开销提升MPM的三维成像速度和安全性，展示了其在效率、成像质量与系统兼容性方面的全面优势。相关成果以Multiplane compressive imaging with axial-coded multiphoton microscopy为题，近期发表在Advanced Photonics 第7卷第4期。
轴向编码多层成像方案
AIMED 的核心思路是跳出“逐层扫描”的传统框架，转而通过轴向结构化照明在一次曝光中同时激发多个深度层，再结合压缩感知方法进行重建。在光学部分，研究团队利用空间光调制器（SLM）加载精心设计的相位掩模，将激光束沿传播方向分割为多个可控焦点。这些焦点可按 Hadamard 编码原则进行组合，实现轴向“明暗编码（0/1）”样式的灵活控制（图1），甚至可以进一步按能量补偿需求调整各焦点强度分布。编码光束在激发样本时，由于双光子或三光子过程的非线性特性，能够自然抑制焦点间串扰，增强编码层的独立性（图2）。在成像部分，系统无需逐层扫描，只需进行少数几次编码照明，便能通过稀疏优化算法恢复出各层的荧光响应，从而重建整个三维结构。这一策略无需改动激光器、扫描镜头或探测器，仅在入射路径中加入SLM和一组4f透镜系统即可（图3），具备极佳的通用性和系统可部署性。
小鼠脑与多层成像验证
AIMED 的多层编码聚焦性能首先在仿真和实验中得到验证。图4展示了不同编码下的点扩散函数（AC-PSF）分布及其空间分辨率分析：在五层编码方案中，各焦点在轴向位置的控制精度高，强度均匀性好，横向分辨率约为600 nm，轴向分辨率在2–4 μm之间，说明该方法能够在多层同时照明的情况下保持高质量的光学聚焦性能。
图5展示了AIMED与传统逐层扫描在小鼠脑神经元切片上的成像对比：在压缩率为60%、单层光功率仅为传统方法的一半甚至三分之一的条件下，AIMED依然完整分辨出神经元的树突、轴突等亚结构细节，且在部分编码组合下对比度更高。尤其在树突棘等一些细微结构上，AIMED的重建图像细节保真度总体优于传统高功率逐层扫描。
图6展示了不同压缩率下AIMED的三维重建效果：在压缩率为62.5%至87.5%的范围内，图像结构相似度（SSIM）稳定在0.95左右，峰值信噪比（PSNR）保持在41–42 dB，几乎与全采样扫描无差别。这表明在进一步减少采集次数、提升成像速度的同时，AIMED仍可维持高保真度的重建结果。进一步的仿真显示：在47层成像任务中，AIMED可实现约8倍的采集速度提升，展现出显著的扩展潜力。
技术优势与应用前景
AIMED 所体现的“轴向光编码+稀疏重建”范式，为多光子三维成像提供了一种轻量、灵活、高效的解决方案。与传统的硬件加速方式不同，它不依赖昂贵部件或大幅改造，而是借助一种结构可编程的光场设计，结合压缩感知这一成熟的算法框架，在提升速度的同时保持了成像精度与系统稳定性。这种策略特别适用于神经元等稀疏生物结构，也对光毒性敏感的样本友好。未来，AIMED 的原理和框架有望迁移至共聚焦、拉曼、光声等其他三维光学成像系统中，为更大体积、更长时间、更深组织的成像任务提供新选择，也为结合深度学习的智能成像奠定基础。
期刊介绍
Advanced Photonics（AP）创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊2021年被SCI收录，最新影响因子18.8，中国科学院期刊分区列一区，入选中国科技期刊卓越行动计划（二期）。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最近进展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus（APN）接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊，2025年获首个影响因子6，2024年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。
