上海光机所散射成像技术迈上新台阶

在光学成像向深层、大范围、高精度方向突破的过程中，强散射介质带来的成像难题一直困扰着科研工作者。近日，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部传来好消息，该团队在突破光学记忆效应的高效大视场散射成像研究中取得重要进展。通过创新技术方法，该团队实现了透过生物鼠脑切片层的大视场、低数据、高质量散射成像，为相关领域的技术突破提供了全新路径。

在光学成像领域，介质折射率的不均匀性一直是影响成像质量的关键难题。这种不均匀会导致光子传播方向被扰乱，进而引发严重的图像退化，给成像技术的应用带来诸多限制。目前，基于弹道光的散射成像技术受限于成像深度，难以满足深层成像需求；而利用散射光的成像技术，要么需要大量的迭代计算和测量工作，要么受限于成像视场，无法实现大范围观测。

近年来，基于非负矩阵分解（NMF）的散射成像方法逐渐兴起，这种方法无需提前掌握介质相关信息，就能实现透过散射层的大视场非侵入成像。其核心原理是利用非负矩阵分解的特征解混特性，从强度叠加的散斑中提取目标“指纹”，再通过指纹解卷积实现逐点定位，最终将成像视场扩展至超记忆效应范围。但该方法在实际应用中仍存在明显短板，不仅需要大量数据支撑，成像结果缺乏固有灰度，还容易出现伪影和背景噪声，严重影响成像质量。

针对这些关键难题，上海光机所的研究人员开展了针对性攻关。他们首先构造了最佳重建收益函数，通过系统优化获得最佳编码稀疏度，最大限度提升目标信息传递效率，最终在保证大视场、高质量重建效果的前提下，将数据需求降低了8.3倍，同时验证了该优化参数对不同目标及散射介质不同区域的适配性，确保了方法的泛化能力。

在此基础上，研究人员进一步改进了基于非负矩阵分解的重建算法框架，充分挖掘传统方法中未被利用的强度波动矩阵，结合统计分析方法精准获取目标物体的灰度信息。在全局重建过程中，他们摒弃了传统方法中子区域图像叠加的模式，转而依靠逐点之间的相对矢量位置关系构建完整图像，有效解决了伪影和背景噪声问题，让重建图像的背景更加清晰。

实验结果显示，该团队提出的方法成功透过200μm厚的鼠脑组织层，实现了138μm视场（约4.3倍光学记忆效应范围）的16级灰度成像，一举突破了强散射介质成像中“视场—数据量—成像质量”难以协同优化的核心瓶颈。这项新进展不仅推动了散射成像技术的升级，更为生物组织深层光学成像、脑科学显微观测、极端环境散射成像等多个领域提供了全新的技术思路和解决方案。