突破光学成像衍射极限:南洋理工与南安普顿大学发布OpticalNet数据集,开启AI赋能科学新范式
在科学探索的微观领域,光学成像技术如同人类窥视神秘世界的“眼睛”,然而衍射极限这一“枷锁”却长期束缚着其分辨率的提升。当传统光学显微镜在200-250纳米尺度前止步时,南洋理工大学与南安普顿大学的研究团队在CVPR2025上带来了突破性进展——他们提出的OpticalNet数据集与基准测试,为光学成像突破衍射极限开辟了全新路径。
衍射极限:光学成像的“阿喀琉斯之踵”
光的波动性导致的衍射现象,如同给光学成像戴上了“紧箍咒”。当光与亚波长结构相互作用时,理想点光源会在成像平面衍射成艾里斑,相邻衍射斑间距低于0.61λ/NA时便无法分辨,这使得传统光学显微镜在观测冠状病毒(小于200纳米)等亚波长物体时“力不从心”。
尽管电子显微镜能实现原子级分辨率,但其复杂的样品制备、真空环境要求以及对活体生物的辐射损伤,使其在实时成像领域难以施展。超分辨率荧光显微镜虽获诺奖认可,却依赖侵入性荧光标记,背离了光学成像非侵入性的本质优势。能否仅用传统显微镜“看透”衍射极限之外的世界,成为光学领域的核心挑战。
OpticalNet:以模块化思维构建亚波长成像“基石”
面对亚波长数据采集的世界级难题,研究团队创新性地提出“构建模块”概念。他们将任意形状的亚波长物体分解为n×n网格的基本单元,每个单元由小于衍射极限的正方形组成,如同用“纳米积木”搭建复杂结构。
在数据采集中,团队采用高精度聚焦离子束(FIB)技术制备样品,搭配定制显微镜系统与声学腔振动隔离装置,确保纳米级精度。为验证概念,他们设计了两大测试集:“光”测试集用于评估任意形状物体的成像能力,“西门子星”(SS)测试集则聚焦于旋转与尺寸变化的泛化性能。
深度学习破局:Transformer重构光学成像范式
研究团队将问题定义为“衍射图像-物体图像”的端到端翻译任务,通过对比ResUNet、ResNet、AttU-Net等主流模型,发现Transformer架构展现出显著优势。在3×3模块数据集上,Transformer的准确率达80.31%,F1分数76.33%,远超ResNet-34的75.01%与76.33%。
可视化结果更直观呈现了Transformer的优势:其对“西门子星”辐条的解析更为锐利,能保留“光”符号的细微曲线,而ResNet-34的预测结果则伴随明显噪声。这表明,Transformer处理全局信息的能力使其在环境噪声抑制方面更具优势。
从实验室到产业:AI+光学的万亿市场遐想
OpticalNet的意义不仅在于学术突破,更在于打开了跨学科合作的大门。在生物医学领域,其非侵入性、实时成像特性为SARS-CoV-2病毒动态观测、巨噬细胞复极化研究提供了新工具;半导体质量控制中,亚波长尺度的缺陷检测将成为可能;而在材料科学领域,纳米级结构的原位观测或将推动新型功能材料的研发。
研究团队开放的模拟代码与数据集,正吸引着视觉算法与光学科学领域的研究者共同探索。当AI的“算力”遇上光学的“眼力”,这场跨学科的碰撞或许将重塑微观世界的认知边界,正如论文作者所言:“这不仅是数据集的突破,更是‘人工智能助力科学’新范式的起点。”
从列文虎克的简易显微镜到OpticalNet的亚波长成像,人类探索微观世界的历程始终伴随着技术瓶颈与创新突破的博弈。OpticalNet的出现,不仅打破了衍射极限的物理禁锢,更揭示了一个真理:当不同学科的智慧在交叉领域碰撞,科学的边界将不断拓展,而这,或许正是基础研究最动人的魅力所在。
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