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方向专题 | 不用染色也能看清细胞：计算光学三维显微成像

2026-08-17

细胞是生命活动的基本单位，但大多数活细胞近乎无色透明。光穿过细胞时，其强度变化十分微弱，许多内部结构仿佛“隐身”了一般。为了让细胞显形，通常需要借助荧光标记、化学染色等外源标记手段。然而，外源标记可能扰动细胞原有的生理状态，持续照明还会引发光漂白和光毒性，因此难以满足活细胞长时间、连续观测的需求。除了让透明细胞“看得见”，现代显微成像还需要进一步回答细胞内部“发生了什么、变化了多少”。因此，在不干扰细胞正常生命活动的前提下，实现无标记、非侵入、可定量的显微观测，已成为生命科学等领域探索前沿生命现象迫切需要的成像能力。

细胞的折射率是反映其物质组成与空间分布的本征物理参数，不同细胞器及亚细胞结构之间的折射率差异，可以形成天然的内源性物理对比度。基于这种对比度，无需引入外源染料，也能够对细胞内部结构进行成像与定量分析。

细胞的本征信息可作为内源性物理染料揭示细胞器结构

计算光学显微成像是我实验室进行活细胞无标记定量观测的基本理论与方法框架，其核心思想可概括为"先调控、再采集、后重建"。与传统显微镜依靠镜头直接拍摄样品的思路不同，计算光学显微镜将光学硬件与计算算法协同设计：前端通过改变照明角度、调节焦平面位置等方式，把样品中那些普通显微镜难以直接记录的信息——例如透明的细胞结构引起的相位变化、三维形貌特征——有规律地编码到一组图像中；后端则利用与调控方式相匹配的算法进行解码，从中定量复原出样品的相位分布和三维结构。这种"光学调控编码"与"计算重建解码"的配合，使传感器能够获取传统成像方式无法采集的信息，让显微观测从"看得见"进一步走向"看得清、测得准"。

传统显微成像与计算光学显微成像范式对比图

围绕这一目标，我实验室的计算光学三维显微成像方向致力于将新型显微成像技术从基础理论创新推向实际仪器研制。面向活细胞长期观测、亚细胞结构精细解析、三维动态过程记录等需求，重点开展非干涉定量相位成像、三维衍射层析显微成像、无透镜片上显微成像等研究，突破传统显微镜在成像分辨率、视场、成像速度和三维定量观测等方面的综合性能瓶颈。通过多年的技术积累，已成功研制出多台智能计算光学显微镜，能够在无需荧光染色的条件下对细胞进行多模态、高精度的三维定量观测，为细胞生物学、药物筛选和病理诊断等生命科学研究提供先进的无标记成像工具。

目前计算光学显微成像方向共设5个研究小组，覆盖物理建模、算法设计、系统搭建、仪器研制和生物应用全链条环节，相关研究由以下小组共同支撑：

数字全息显微成像组

Digital Holographic Microscopy（DHM）

数字全息显微成像组以干涉技术为基础，融合现代图像传感器与智能图像处理算法，研究高通量、低伪影的数字全息显微成像技术。小组针对散斑噪声、衍射极限和环境振动敏感等问题，探索干涉与非干涉相位成像的融合，并发展深度学习辅助的定量相位重建方法。相关成果可应用于活细胞动态监测和微光学元件三维检测。

小组页面：

https://www.scilaboratory.com/DHM.html

光强传输衍射层析成像组

Transport of Intensity Diffraction Tomography（TIDT）

光强传输衍射层析成像组主要研究非干涉定量相位成像、三维光强衍射层析及深度学习在计算光学显微成像中的应用。小组围绕“从多帧强度图像中定量重建样品三维折射率分布”这一问题，将轴向离焦强度栈与多角度照明相结合，建立从二维定量相位到三维折射率层析的理论与技术体系，为活细胞内部结构的三维无标记观测提供技术支撑。

小组页面：

https://www.scilaboratory.com/TIDT.html

傅里叶叠层显微成像组

Fourier Ptychographic Microscopy（FPM）

傅里叶叠层显微成像组研究大视场、高分辨率和高通量显微成像技术。小组通过可编程LED阵列改变照明角度，将物镜通带之外的高频信息逐步搬移至可探测范围，再利用频域重叠完成合成孔径重建，在保持大视场的同时获得油浸物镜级别的高分辨率。研究内容包括高通量的数字病理成像、定量相位恢复、三维衍射层析和自适应像差校正等。

小组页面：

https://www.scilaboratory.com/FPM.html

差分相衬显微成像组

Differential Phase Contrast（DPC）

差分相衬显微成像组研究高灵敏度、高稳定性的非干涉定量相位成像方法与仪器。小组通过研究照明调控的传递函数优化方案，将透明样品的相位梯度转换为方向性的光强差异，再结合部分相干成像理论恢复定量相位，为活细胞研究提供非侵入、高分辨率、高对比度和实时动态的显微观测方法。

小组页面：

https://www.scilaboratory.com/DPC.html

无透镜片上显微组

Lens-Free On-Chip Microscopy（LFOCM）

无透镜片上显微成像摒弃传统显微镜中的物镜和筒镜，将样品直接放置在图像传感器附近，通过计算方法从衍射图样中恢复样品。该技术具有光路简单、视场大、成本低和易于集成等特点。小组重点研究高分辨率定量相位重建、部分相干照明建模和三维层析，面向活细胞监测、病原筛查、即时检测和便携式显微分析等应用。

小组页面：

https://www.scilaboratory.com/LFOCM.html

科技创新与产业孵化

我实验室在计算光学显微成像领域持续引领国际前沿研究方向，开展了从基础理论、核心技术到仪器系统和应用转化的系统研究，形成了“理论—算法—仪器—应用”的完整创新链条。相关成果在 eLight、Light: Science & Applications、Optica、PhotoniX、Advanced Photonics、Laser & Photonics Reviews 等国际期刊发表封面论文20篇，入选ESI高被引论文13篇、ESI热点论文6篇。2020年，团队受邀撰写光强传输方程教程论文《Transport of intensity equation: a tutorial》，被引700余次，位列Optics and Lasers in Engineering 近5年发表的2895篇论文引用次数第一。相关理论与技术进一步形成学术专著《计算光学显微成像——光强传输方程》。

计算光学显微成像代表性论文成果与出版专著

研究成果累计被引13000余次，被Nature、Nature Photonics、Nature Reviews Physics等高水平期刊引用，并获MIT Technology Review、Phys.org、SPIE Newsroom等媒体报道百余次。相关工作得到来自13个国家和地区的28名院士、70余名学会Fellow的高度评价。相干衍射成像领域奠基人之一J. Miao教授在Nature发表的论文中，引用团队2篇论文及2张论文原图，并评价相关技术“超越了传统定量相位成像技术的能力”，可在1.77 mm²视场内对约2万个细胞同时开展三维层析成像。傅里叶叠层成像开创者之一C. Yang教授在 Nature Reviews Physics 中引用团队8篇论文及3张论文原图，并评价相关技术“达到了截至目前最高的数值孔径约1.6”。

计算光学显微成像方向已发表封面论文

在仪器研发与产业化方面，计算光学三维显微成像方向孵化了苏州锆石光电、南京江丰生物等高新技术企业，研制出SCscope、CyteLive和KF-PRO等新一代计算光学显微镜系列产品，被国际同行列为三维定量相位成像领域的代表性产品。围绕无标记定量相位成像、三维层析显微成像，团队牵头制定团体标准3项、参与制定国家标准1项；获中国专利64项、PCT专利13项、美国专利7项，形成了覆盖核心理论、成像方法和仪器系统的自主知识产权体系，德国蔡司、徕卡和日本尼康等国际显微镜企业主动提出技术合作和专利转让。核心技术与仪器已服务“细胞科学2035”、“健康中国2030”等国家重大工程，在生命科学领域，相关产品支撑迁移体“靶向递送”、干细胞“接触引导”、药物介导细胞凋亡等30余项前沿发现；在公共健康领域，相关产品已在20余家医药企业和医疗机构实现规模化应用，为新药创制、“两癌”筛查和病理诊断提供技术支撑。