导读

实现快速动态和连续跨尺度的显微成像在当代前沿科学领域有着重要意义。然而，传统显微技术依赖于物镜的机械切换，会引入离散的成像效果和机械的抖动。电润湿液体透镜作为一种新型自适应变焦透镜，被广泛应用于成像、医学检测等领域。然而其有限的光焦度和变焦过程中引入的非线性像差类型，限制了连续变焦范围的有效扩展。此外，对于集成多个液体透镜组成的连续变焦光学系统，像差会随着空间位置、光谱波段、变焦倍率发生复杂动态变化，这些问题限制了连续光学变焦技术的进一步应用。

近日，北京航空航天大学王琼华教授团队基于物理信息引导的端到端联合优化框架，研制出了一种大变倍比、自适应像差校正的连续光学变焦显微镜，该系统集成了多片电润湿液体透镜和4DPSF感知的深度学习技术。该显微镜无需物镜的机械切换即可实现10.6×至101.4×的连续跨尺度变焦，并有望在生物观测和材料表征等诸多领域实现重要价值。相关成果以“Large zoom ratio and adaptive aberration correction microscope using 4DPSF-aware physical degradation-guided network”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上。

研究背景

传统显微技术难以实现快速动态和连续跨尺度的观测成像。新兴的液体透镜具有自适应变焦和低功耗等优势，但其有限的光焦度限制了变焦范围，且变焦过程中会引入非线性的像差，而对于由多个液体透镜组成的连续变焦光学系统，像差会随着空间位置、光谱波段、变焦倍率发生复杂动态变化。现有的方法往往对光学设计和设计后的残余像差后处理两个部分进行独立优化，而没有充分将物理退化信息融入系统整体设计中，因此对于复杂光学系统难以保证高质量的成像效果。如何将光学设计和算法恢复高效联合优化，从而让多液体透镜的大尺度连续变焦系统研制成为可能，是研究人员们亟待解决的关键问题之一。

创新研究

鉴于上述问题，北京航空航天大学的研究人员提出了一种物理退化引导的端到端联合优化框架，利用该框架，研究人员成功设计并加工出具有大变倍比和自适应像差校正的连续光学变焦显微镜，获得了跨尺度的理想成像效果，如图1所示。加工出的显微镜实现了10.6倍至101.4倍的变焦范围，该工作还展示了显微镜在不同放大倍率下对多种类型样本成像实验的效果，所提出的连续光学变焦显微镜不仅能快速、连续的调节观测范围，还能对不同类型的样本和像差具有良好的泛化性。

图1. 基于物理信息引导端到端联合优化的自适应连续变焦显微镜的示意。

该工作首次提出将仪器的空间变化、多波长、连续放大倍率的4D点扩散函数（PSF）作为物理先验信息，以指导多液体透镜系统和深度学习模型的联合优化。此外，研究人员通过将4DPSF纳入联合优化范畴构建了一种物理约束损失函数，以抑制非物理伪影并确保更精确的图像恢复，如图2所示。通过两阶段的联合训练优化，该仪器实现了10.6倍至101.4倍的快速、连续变焦成像，同时自适应地校正了随放大倍率和空间区域变化的复杂像差。

图2 4DPSF-PDNet的结构和原理。

所研制的自适应连续变焦显微镜的结构和变焦成像效果如图3所示。该系统的核心组件是带有可移动中继像平面的变焦物镜，集成了8片电润湿液体透镜。通过对多个液体透镜电压的联合调控与算法的协同优化处理，系统实现了在10.6倍至101.4倍的快速高质量连续变焦成像。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

图3 自适应连续变焦显微镜结构和变焦成像效。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02155-8