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超强激光科学卓越创新简报

(第七百五十六期)

2026年3月13日

上海光机所在透过散射介质的大视场动态成像取得进展

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在动态散射成像领域取得新突破。研究团队提出基于非负矩阵分解的定位与流融合（LS-Fusion）重建方法，成功实现透过鼠脑切片层的大视场、高帧率、无先验动态散射成像。相关成果以 “Motion-informed wide-field dynamic imaging through scattering layers”为题，发表于Optics Letters。

图1 LS-Fusion方法的原理示意图

基于多重散射光的深层成像技术，在高分辨活体组织观测等领域具有重要价值。但在实际场景中，现有技术长期面临多重难以协同解决的核心矛盾：成像速度需满足动态目标实时捕捉要求、成像视场需覆盖完整研究对象、系统复杂度需控制在可工程化范围内，同时要尽可能降低对散射介质先验信息的依赖。

目前已有的动态散射成像方案，大多局限于局部视场重建或宏观目标粗略追踪，难以同时实现大视场与高帧率，且重建过程往往依赖复杂算法模型与大量先验参数，难以适配生物组织切片、脑结构动态观测等对精度和灵活性要求极高的场景。

图2 LS-Fusion方法的重建结果

研究人员提出，将隐藏在散射介质后方的动态目标运动视为一种随机激活，这等效于传统基于非负矩阵分解散射重建方法中的随机编码，从而允许以散斑的相机采集帧率对动态场景进行重建。该方法不依赖任何散射介质的先验信息，只需要在介质外部采集动态散斑图案并作为数据立方体进行处理，即可重建出高帧率的动态场景。其另一核心突破在于，全局定位重建过程物点源的指纹点扩散函数（PSF）解卷积参考不仅能利用当前帧的其他物点信息，还能借助之前或之后任意帧的物点来辅助定位，从而有效突破单帧内超出记忆效应范围的孤立物点难以重建的限制。

经过实验验证，该方法成功透过200 μm厚的小鼠脑组织层，实现对184μm视场（约5.7倍记忆效应范围）高达50帧每秒的动态成像。通过将动态目标自身运动转化为散射成像的 “天然编码”，并构建跨帧协同重建机制，突破了了动态散射成像领域长期存在的 “大视场与高帧率不可兼得” 的桎梏，为透过深层生物组织动态显微观测、目标实时追踪等应用开辟了新路径。

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