封面：光子时间戳共聚焦显微成像 | Advanced Imaging

近日，上海交通大学金贤敏教授团队在Advanced Imaging以“Photonic Timestamped Confocal Microscopy (PT-Confocal)”为题发表了最新研究成果：实验上实现了首十个光子的共聚焦显微成像，结合最大似然估计、离散小波变换和深度学习优化实现了高水平的重建。相比于传统方法对于样本的曝光强度降低了两个数量级，文章也展示了PT-confocal在多通道和三维成像的应用能力。

Siyuan Yin, Shibao Wu, Zhanming Li, Haoran Lu, Zhiyao Wang, Zengquan Yan, Xianmin Jin, "Photonic timestamped confocal microscopy," Adv. Imaging 1, 021005 (2024)

共聚焦显微镜作为一种用于提高光学分辨率和对比度的先进成像技术，可应用于包括生物医学成像到工业检测等多种场景。然而，它需要足够高的照明强度在聚焦区域形成能量集中模式，这将导致生物样品损伤和荧光基团的非线性效应。此外，强光照射可能会造成光毒性和光漂白，进而对生物样品造成不可逆的损伤。因此，在低通量光子的条件下实现高精度的共聚焦成像成为研究人员的一大挑战。

金贤敏教授团队提出了光子时间戳共聚焦显微镜 （PT-Confocal） 方案，通过将光视作离散的光子流，利用时间相关单光子计数模块来记录光子到达时间分布信息，统计时间信息估计平均光子数强度，再利用最大似然估计、离散小波变换和深度学习算法对图像进行去噪和增强。实验中，PT-Confocal可以恢复包含 10 个光子信息的荧光图片，与传统累计成像对比，后者需要累积百倍的光子数量以达到相同的重构效果。这展现了其在超低通量光子预算下的巨大应用潜力，将极大地推动共聚焦成像技术在弱光成像领域的应用。

图1 基于光子时间戳的低曝光共聚焦显微镜实验方案

团队成员殷思源总结道：“我们自主搭建了一套共聚焦显微成像系统，其具备纳秒级的单光子时间分辨能力；通过挖掘光子的时间信息自由度，我们实现了首十个光子的共聚焦荧光成像；相比于传统的累计成像，光子预算降低了两个数量级。我们的技术可以适用于多种稀疏和弱信号成像场景，如代谢物成像和神经元成像，低反射率的材料和细胞的成像。现有系统可以通过硬件升级和算法增强提升成像速度，以解决实时活细胞成像需求。”

图2 基于10、20和30光子数情况下，使用最大似然估计、离散小波变换和深度学习网络的重构图像结果

目前PT-Confocal的成像速度受到扫描振镜机械频率的限制，不足以进行活细胞成像，未来研究团队将通过合并多针孔或自旋盘针孔阵列，结合单光子探测器阵列来提升成像的速度。同时选取稳定快速的扫描振镜，缩短机械驱动激光扫描所需的时间。这些提升对于在辐射损伤或样品特性导致无法收集足够光子的样品探测有着重要的意义。

研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的大力支持，感谢国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。上海交通大学物理与天文学院集成量子信息技术研究中心硕士研究生殷思源，19级博士研究生吴师保、李占明，硕士研究生陆浩然为论文的共同第一作者，金贤敏教授为论文通讯作者。