拾級(jí)而上，攀登光學(xué)成像高峰
——記中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所副研究員潘安

張錦玉

千百年來(lái)，人們對(duì)長(zhǎng)駐影像的渴望、對(duì)影像記錄和信息傳播分享的需求，推動(dòng)了光學(xué)成像技術(shù)的變革?？梢哉f(shuō)，光學(xué)成像的誕生與發(fā)展是時(shí)代的必然產(chǎn)物。其從無(wú)發(fā)展到有，從黑白發(fā)展到彩色，從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)畫，所依托的便是光學(xué)成像技術(shù)的革命。

21世紀(jì)以來(lái)，光學(xué)成像技術(shù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的數(shù)字化成像技術(shù)發(fā)展進(jìn)入計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)的新時(shí)代。2023年1月11日，在阿里達(dá)摩院發(fā)布的“2023年十大科技趨勢(shì)”之中，“計(jì)算光學(xué)成像”就赫然在列。作為新興多學(xué)科交叉領(lǐng)域，計(jì)算光學(xué)成像打破了之前先拍照后處理的思想，簡(jiǎn)化了成像系統(tǒng)，將光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與處理算法聯(lián)合優(yōu)化，而不是分而治之，以最大化信息量而不是數(shù)據(jù)量作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以此發(fā)展出了一個(gè)全新的技術(shù)路徑。近些年來(lái)這一領(lǐng)域取得了許多令人振奮的研究成果，并在手機(jī)攝像、醫(yī)療、無(wú)人駕駛等層面開始規(guī)?；瘧?yīng)用。而中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱“西安光機(jī)所”）瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室前沿交叉研究中心（籌）主任潘安的研究方向就與計(jì)算光學(xué)成像息息相關(guān)。

“追光之路”道阻且長(zhǎng),“不懼困難、拾級(jí)而上”是潘安一路以來(lái)的寫照。在多年的科研生涯中，他先后前往美國(guó)、以色列等國(guó)家進(jìn)行研究積淀，以出色的研究成果成為青年一代科研創(chuàng)新的佼佼者；扎根祖國(guó)大地，他初心不渝，矢志篤行在計(jì)算光學(xué)成像和生物光子學(xué)等基礎(chǔ)研究中，不斷帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)光學(xué)成像極限，帶來(lái)更具創(chuàng)造力和想象力的新應(yīng)用。

追夢(mèng)，奮斗不息的人生底色

自由思考、厚積薄發(fā)，一直是潘安喜歡的學(xué)術(shù)氛圍。在他看來(lái)，人生就像在滾雪球，一旦滾起來(lái)之后，后邊就會(huì)容易得多，關(guān)鍵是怎樣邁出第一步。

時(shí)間撥回2014年，那時(shí)的潘安21歲，正值本科畢業(yè)。在潘安的本科時(shí)期，信息時(shí)代還未全面來(lái)臨，他直言自己當(dāng)時(shí)整個(gè)人仍舊處于“玩泥巴”的狀態(tài)，到了研究生階段這個(gè)狀態(tài)才有所轉(zhuǎn)變。研究生一年級(jí)時(shí)，他和同屆的學(xué)生有幸得到了前往中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（北京雁棲湖校區(qū)）集中教學(xué)的機(jī)會(huì)。學(xué)校坐落在長(zhǎng)城腳下，自然環(huán)境優(yōu)美、絕對(duì)僻靜。在這里，潘安可以遠(yuǎn)離都市的喧囂，靜心投入到學(xué)習(xí)、研究中。值得一提的是，學(xué)校還為他們聘請(qǐng)了國(guó)內(nèi)外知名大師進(jìn)行授課，正是在這里學(xué)習(xí)、研究的經(jīng)歷，為潘安打下了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)。也正是在這一階段，潘安遇到了自己的恩師史祎詩(shī)教授。

入學(xué)之初，潘安就在高等物理光學(xué)考試中以滿分的成績(jī)成功被史祎詩(shī)教授選拔到實(shí)驗(yàn)室，參加了為期一年的“科教融合”項(xiàng)目，從事疊層衍射成像術(shù)相關(guān)研究。潘安十分珍惜這來(lái)之不易的機(jī)會(huì)，經(jīng)常從早晨到晚上，站在實(shí)驗(yàn)臺(tái)邊上工作，連坐都不坐一下。要不是午餐時(shí)，同項(xiàng)目組的劉祥磊提醒他，潘安都沒(méi)有意識(shí)到自己已經(jīng)癡迷至此。這期間，他帶領(lǐng)小組復(fù)現(xiàn)了前人的研究工作，并發(fā)現(xiàn)其中的不足，提出了將多波長(zhǎng)二維疊層成像擴(kuò)展為三維成像的數(shù)字化多層切片重構(gòu)方法與三波長(zhǎng)同時(shí)照明的快速非相干疊層重構(gòu)方法兩個(gè)方案，并成功發(fā)表了兩篇《科學(xué)引文索引》（SCI）文章。雖然是“微不足道”的兩項(xiàng)小工作，但這些成績(jī)?yōu)樗麡淞⒘丝蒲行判?，讓他找到了科研興趣，更讓他明白了堅(jiān)持與積累的重要性。

潘安

在此之后，潘安又成功得到了國(guó)家公派資助前往以色列巴伊蘭大學(xué)、美國(guó)加州理工學(xué)院研修的機(jī)會(huì)。特別是在美國(guó)加州理工學(xué)院這一年，潘安在楊昌輝（Changhuei Yang）教授的帶領(lǐng)下，進(jìn)一步發(fā)展了傅里葉疊層顯微成像技術(shù)（FPM）。在多個(gè)科學(xué)研究項(xiàng)目的實(shí)踐與打磨下，他成功榮獲了2019年美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）鮑里斯·斯托伊切夫紀(jì)念獎(jiǎng)，而他也是自2011年這一獎(jiǎng)項(xiàng)成立以來(lái)，中國(guó)首位獲得此榮譽(yù)的研究生。因?yàn)閮?yōu)異的科研表現(xiàn)，潘安還得到了在2019年“德國(guó)林島諾貝爾獎(jiǎng)獲得者大會(huì)”中與各位諾獎(jiǎng)學(xué)者當(dāng)面交流的機(jī)會(huì)。值得一提的是，在這項(xiàng)世界級(jí)的盛會(huì)中，潘安基于半球形數(shù)字聚光鏡照明的高通成像系統(tǒng)的科研成果，從一眾青年學(xué)者中脫穎而出，順利獲得了第69屆德國(guó)林島諾貝爾獎(jiǎng)獲得者大會(huì)最佳海報(bào)獎(jiǎng)第一名，而他也是中國(guó)首位這一獎(jiǎng)項(xiàng)的獲得者。

扎根，科研面向社會(huì)所需

隨著信息科學(xué)的爆發(fā)性發(fā)展，計(jì)算光學(xué)成像在近兩年來(lái)成為領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2020年進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所之后，潘安基于我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)及自己的研究基礎(chǔ)，在計(jì)算光學(xué)成像與臨床醫(yī)學(xué)的結(jié)合中做出了一系列創(chuàng)新性成果。

長(zhǎng)期以來(lái)，術(shù)中病理由于病人躺在手術(shù)臺(tái)上，時(shí)間急迫，只留給成像2～3分鐘的窗口時(shí)間，更為挑戰(zhàn)的是冷凍切片樣本因切片技術(shù)原因，厚度極不均勻，對(duì)成像質(zhì)量造成重要影響，進(jìn)而對(duì)后續(xù)醫(yī)生的判讀造成重要影響。

為了攻克這一關(guān)鍵科研問(wèn)題，潘安和西安光機(jī)所的同事馬彩文研究員、姚保利研究員經(jīng)過(guò)不懈科研攻關(guān)，于2021年創(chuàng)新性提出了單通道快速全彩色數(shù)字病理學(xué)成像方法，又于2022年改進(jìn)了這一方法，并命名為CFFPM。這一方法將交疊分塊、三邊濾波與全彩色FPM遷移學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，在近乎不犧牲成像精度的同時(shí)將效率提升了3倍，滿足了成像窗口的極短時(shí)間要求；又得益于FPM技術(shù)長(zhǎng)景深的優(yōu)勢(shì)，這一方法極大彌補(bǔ)了切片質(zhì)量不足的限制，為計(jì)算光學(xué)成像在數(shù)字病理學(xué)中的臨床應(yīng)用提供了新思路，對(duì)于促進(jìn)FPM在數(shù)字病理學(xué)中的發(fā)展具有重要意義。相關(guān)工作發(fā)表在物理一區(qū)期刊《中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》（Science China-Physics Mechanics & Astronomy）上，并被選為第11期封面論文。相關(guān)成果被提名為“2021年中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”候選。

科學(xué)研究從不囿于一隅，潘安的科研方向始終在不斷擴(kuò)展中。長(zhǎng)期以來(lái)，超快現(xiàn)象研究對(duì)自然科學(xué)、能源、材料、生物等研究及技術(shù)領(lǐng)域都具有重要意義。而西安光機(jī)所在超快科學(xué)領(lǐng)域有著悠久的研究歷史。在之前研究工作的基礎(chǔ)上，潘安和團(tuán)隊(duì)成員們結(jié)合西安光機(jī)所在超快科學(xué)領(lǐng)域的研究?jī)?yōu)勢(shì)，圍繞微觀過(guò)程超快動(dòng)力學(xué)成像開展了超快科學(xué)與疊層成像技術(shù)基礎(chǔ)理論及技術(shù)論證研究?！皰呙柰干鋁射線顯微鏡由于與X射線光學(xué)相關(guān)的制造問(wèn)題造成成像分辨率的限制，相干衍射成像技術(shù)則受晶體或準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)限制，而疊層成像技術(shù)的引入很好解決了二者的困難，從而可以觀察一些生物大分子的超快運(yùn)動(dòng)過(guò)程?！迸税舱f(shuō)?，F(xiàn)如今，他與團(tuán)隊(duì)在相關(guān)領(lǐng)域的研究工作正在有序開展中。

落地，一體兩翼展開產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

陜西地處祖國(guó)西部，科研條件與其他發(fā)達(dá)地區(qū)相比仍有較大差距。雖然外部條件有限，但西部的科研實(shí)力與產(chǎn)業(yè)資源在近些年來(lái)卻在蓬勃成長(zhǎng)。幾十年來(lái)，西安光機(jī)所從發(fā)明我國(guó)第一塊耐輻射光學(xué)玻璃、第一根光纖、第一臺(tái)光纖胃鏡和第一個(gè)自聚焦微型透鏡開始，堅(jiān)守將科研面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的發(fā)展方向，通過(guò)將科研任務(wù)與市場(chǎng)需求緊密結(jié)合，孵化運(yùn)營(yíng)了一大批高度創(chuàng)新的、面向市場(chǎng)核心訴求的硬科技企業(yè)。得益于研究所的助力，潘安團(tuán)隊(duì)曾一項(xiàng)專利2個(gè)月內(nèi)加急預(yù)審獲得授權(quán)、4項(xiàng)專利以100萬(wàn)元一次性轉(zhuǎn)讓出去，與企業(yè)聯(lián)合推進(jìn)研究落地。直至今日，他將科研成果落地生根的決心始終未曾改變。

團(tuán)隊(duì)合影（二排中為潘安）

工欲善其事，必先利其器。針對(duì)我國(guó)大量高科技儀器仍須依賴國(guó)外進(jìn)口的現(xiàn)狀，潘安及其研究團(tuán)隊(duì)今后還將利用自己的專業(yè)優(yōu)勢(shì)繼續(xù)為國(guó)產(chǎn)醫(yī)療器械的創(chuàng)新提供助力，以促成更多醫(yī)療器械的落地。同時(shí)，基于團(tuán)隊(duì)在FPM成像領(lǐng)域的研究技術(shù)，他們還將繼續(xù)開展數(shù)字病理學(xué)研究，以更好地提升我國(guó)醫(yī)療行業(yè)的診斷水平。

單絲不成線，獨(dú)木不成林。一切創(chuàng)新的事業(yè)均離不開創(chuàng)新的人才和團(tuán)隊(duì)。對(duì)于一路走來(lái)攜手前行的團(tuán)隊(duì)成員，潘安始終心懷感恩?，F(xiàn)如今，他所在的這支十多人的研究團(tuán)隊(duì)，還在不斷引入新鮮血液，預(yù)計(jì)在3年內(nèi)達(dá)到30人左右規(guī)模。前路漫漫，他仍將和團(tuán)隊(duì)成員共同進(jìn)行科研開拓，在“追光”的道路上用更多立地生根的科研成果描繪自己青春的底色。