近日，华中科技大学光学与电子信息学院、武汉光电国家研究中心等团队在光学期刊Photonics Research发表题为“High-fidelity image scanning microscopy via programmable line scanning with self-calibration”的研究论文，提出并搭建了基于可编程线扫描与自校准的高保真图像扫描显微镜（HF-ISM，如图1所示）。该成果在保持图像扫描显微镜（ISM）高光子利用效率和光学切片能力的同时，显著提升了成像速度、分辨率各向同性和重建保真度，为高速、高保真荧光成像提供了新的技术方案。
论文第一作者为光电学院博士生褚文学，通讯作者为马冬林，作者还包括骆涵、温在兴和刘雨昂。成果发表于Photonics Research 2026年第14卷第10期，DOI为10.1364/PRJ.601343。
图1. HF-ISM系统示意图
1.研究背景：传统线扫描ISM仍面临三大瓶颈
ISM通过阵列探测器替代传统共聚焦显微镜的单点探测器，使每个探测单元充当“虚拟针孔”，记录完整的系统点扩散函数分布，并通过像素重分配实现超分辨成像。相比传统共聚焦，ISM具有更高的光子收集效率和更简单的系统对准要求。
然而，传统ISM仍存在明显局限：单点扫描速度慢；线扫描虽能提升速度，但单向扫描会造成分辨率各向异性——扫描方向分辨率增强，垂直方向却受探测器像素积分效应限制；同时，现有线扫描ISM多依赖柱透镜、柱透镜阵列、平移台或振镜等机械扫描结构，正交双向扫描还需旋转台，导致成像耗时增加、系统对准复杂、重建保真度受限。
2.技术亮点：可编程线扫描+正交融合+自校准
针对上述问题，研究团队提出HF-ISM框架，核心创新包括三个方面：
一是基于DMD的可编程多线并行扫描。系统以数字micromirror device（DMD）为核心，生成多条平行照明光束，配合面阵探测器同步采集多通道信号。扫描过程直接由DMD投影图案刷新完成，无需旋转台、振镜或平移台等机械运动，从根本上消除了机械扫描带来的时间损耗和对准误差。DMD工作在1-bit灰度模式，最高刷新率达22,272 Hz，远高于CMOS相机全像素采集帧率。系统在2048×2048全画幅、弱荧光条件下可实现40 Hz采集，完整重建仅需20帧原始数据，即两个正交方向各10帧，总采集时间仅0.5秒。相比之下，此前基于旋转柱透镜阵列和振镜扫描的正交线扫描ISM系统约需4秒采集，另需约1.5秒机械旋转，HF-ISM在成像速度上优势显著。
二是正交双向扫描与离散小波变换融合。为消除单向线扫描导致的各向异性，HF-ISM分别沿X和Y方向进行正交扫描，采用自适应像素重分配（APR）算法进行超分辨重建，再通过离散小波变换（DWT）融合两组正交重建结果。该方法能够同时提取两个方向的高频细节，实现各向同性超分辨成像，有效克服传统线扫描ISM在垂直扫描方向分辨率不足的问题。
三是自校准重建算法（如图2所示）。研究团队在APR重建和图像融合之前引入自校准预处理，包括自适应狭缝检测与定位、背景噪声扣除、高斯照明强度非均匀性校正、系统点扩散函数测量与计算，以及基于Richardson-Lucy算法的迭代去卷积。其中，狭缝检测算法通过最大化狭缝内总灰度值，自适应优化狭缝角度、中心位置、宽度和间距，增强了对噪声、光束不连续和强度不均的鲁棒性。去卷积迭代次数设置为20次，在分辨率增强与噪声抑制之间取得平衡。自校准后的数据再进行APR重建和DWT融合，从而获得更高保真度、更均匀的全视场定量成像结果。
图2. 图像重建算法
3.仿真与实验验证：分辨率、速度、保真度全面提升
研究团队通过端到端光学仿真和多种实验系统验证了HF-ISM的性能。在仿真实验中，采用32扇区Siemens星靶和微管网络作为目标，与宽场、X扫描ISM、Y扫描ISM、Fusion-ISM、APR-ISM、APR+Correct等方法对比。结果表明，HF-ISM在RMSE、SNR、SSIM、FWHM和高频信息恢复等指标上均表现最优，傅里叶频谱扩展更宽，且X/Y方向频率响应高度一致，展现出优异的各向同性超分辨能力。
在标准荧光样品实验中，HF-ISM对线间距约600 nm的双线结构可清晰分辨，而宽场显微镜几乎无法分辨；同时，HF-ISM全视场归一化强度分布更均匀，克服了激光高斯光束导致的亮度不均问题。
在200 nm荧光微球实验中，HF-ISM系统点扩散函数显著压缩：横向X方向FWHM从0.480±0.049 μm优化至0.378±0.040 μm，Y方向从0.453±0.038 μm优化至0.368±0.042 μm，轴向从3.192±0.373 μm优化至2.476±0.172 μm，横向和轴向分辨率同步提升。
在生物样品实验中，团队对植物叶片样本和BPAE细胞多色荧光样本进行了成像测试。多色样本包含MitoTracker Red CMXRos标记的线粒体、Alexa Fluor 488 phalloidin标记的细胞骨架和DAPI标记的细胞核。结果显示，HF-ISM在绿色通道中可清晰分辨微丝网络及交叉细节，在红色通道中可呈现线粒体的点状和短棒状形态；相比传统ISM和宽场成像，HF-ISM的图像对比度、结构连续性和信噪比均显著提升（如图3所示）。
图3. 成像效果示意图
4.应用前景与意义
该研究提出的HF-ISM无需额外采样数据或复杂光路配置，在保留ISM简单光路结构和高光子利用效率的同时，实现了成像速度、分辨率各向同性和重建保真度的同步提升。论文指出，HF-ISM适用于培养细胞、薄组织切片和透明生物标本等场景，有望用于活细胞动态过程、细胞器运动、胞内运输以及多色生物荧光成像等研究。未来，随着高速相机和探测器的发展，该系统在超快生物过程成像方面也具备进一步拓展潜力。
5.论文信息
论文标题：High-fidelity image scanning microscopy via programmable line scanning with self-calibration
作者：Wenxue Chu, Han Luo, Zaixing Wen, Yuang Liu, Donglin Ma*
单位：华中科技大学光学与电子信息学院、武汉光电国家研究中心等
期刊：Photonics Research, Vol. 14, No. 10, 4210 (2026)
DOI：10.1364/PRJ.601343
链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.601343
资助：国家自然科学基金（12274156）；国家重点研发计划（2023YFC2414700）；中央高校基本科研业务费（2024JYCXJJ040）；华中科技大学重大技术创新项目（2025ZDKJCX11）
