2023年10月20日，光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》 （IF=11.0）以Research Article的形式在线发表了北京航空航天大学生物与医学工程学院、北京生物医学工程高精尖中心、生物力学与力学生物学教育部重点实验室樊瑜波教授（通讯作者）、王璞教授（通讯作者）团队的最新研究成果“Time-stretch chromatic confocal microscopy for multi-depth imaging”。王璞教授指导的博士研究生杨雪芳为该论文的第一作者，王璞教授、陈珣助理教授、马丁昽博士和岳蜀华教授、樊瑜波教授为论文的共同通讯作者。北京航空航天大学为该论文的第一单位。

共聚焦显微镜具有卓越的亚细胞分辨率，目前已经作为一种“光学活检”的工具在医学上得到了广泛的应用。传统的激光扫描共聚焦技术需要对病灶进行轴向扫描，以实现3D成像。然而，机械轴向扫描非常耗时。作为一项新兴技术，色散共聚焦显微技术能够在没有任何轴向机械扫描的情况下实现多深度成像。色散共聚焦显微镜是通过使用色散镜头将不同颜色即不同波长的光同时聚焦到不同的深度，并使用光谱仪以共聚焦的方式收集反射光。其中，深度信息被编码在光谱中。该技术虽然解决了传统共聚焦显微镜中光学切片速度慢的问题，但其成像灵敏度和速度受到光谱仪中CCD/ CMOS刷新率的限制。成像速度不足会使得图像质量受大量呼吸和运动伪影的影响，这将导致3D色散共聚焦成像技术无法进行在体成像。

随着激光器和光学成像元器件的技术发展，不同尺度的光学成像对时间和空间分辨率都有了更高的要求，从而为各个领域和行业的科学发展和技术应用带来了进一步革新。作为使用传统光谱仪进行信号采集的替代方案，时间拉伸光谱仪可以使用单模光纤（SMF）、色散光纤（DSF）或光纤布拉格光栅（FBG）等色散介质将接收到的光谱信号（通常是fs-ps脉冲光）在时域上将其拉伸到纳秒级，并使用快速光电探测器来记录飞行时间光谱信号。时间拉伸技术的特点是把待测目标的空间信息利用光学的方法来映射到超快脉冲激光的光谱中，然后再利用色散介质将光谱在时间上分散开，也就是把光谱信息映射到时间上。因此，待测目标的空间信息是被映射在一个一维的时间数据流中，可以被单像素探测器直接探测，从而提高成像速度。由此可见，时间拉伸技术可以实现超快成像，其光谱记录速度仅受激光器重复率的限制，可高达数十兆赫兹。

因此，为了提升色散共聚焦显微镜3D成像速度，该研究提出了一种用于多深度同时成像的时间拉伸色散共聚焦显微镜（TSCCM）。该研究摒弃了用波长来编码深度信息并通过光谱仪收集到的光谱来进行解码的方法，创新地提出了用时间来编码深度信息的方法，首次将时间拉伸技术与色散共聚焦技术进行结合。实现了50 ns的时间拉伸，5 Hz的3D成像速度，显著提升了色散共聚焦成像技术的3D成像速度。

具体来说，光脉冲在时域和空间域中都是分散的，因此可以通过时间-波长和波长-深度的编码和解码来实现时间-深度编码。通过这种方式，可以使用单个光电探测器直接收集时间拉伸的色散共聚焦信号，从而快速地获得3D图像。该研究使用脉冲宽度为200 ps的5 MHz超连续谱激光器作为光源，并使用一根长为1.5 km的光纤把多波长的脉冲光在时间上拉伸到纳秒尺度（~50 ns），波长范围为650-950 nm。然后，使用自制的色散镜头将拉伸的激光聚焦到样品上，该色散镜头将不同波长的光色散到不同的深度，使得从样品反射回来的编码了深度信息的时间飞行信号可以直接被响应曲线上升时间小于1 ns的硅光电倍增管（SiPM）探测。最终，通过一个带宽为3 GHz的数字化仪进行高速数据采集。该研究的A-Scan扫描速率高达1 MHz，实现了5 Hz的多深度3D成像，比该团队之前开发的色散共聚焦内窥镜（Biomed. Opt. Express (2022): 13, 300-313）快5倍。最后，该研究通过对裸鼠皮肤的在体3D成像验证了该系统可以实现生物组织的在体成像且不存在明显运动伪影。该研究为用于光学诊断的内窥显微成像方法提供了新思路，在生物医学3D在体成像的应用中具有巨大潜力。

与本研究有关的技术所申请的国家发明专利已经获得授权。本项工作得到了北京市生物医学工程高精尖创新中心的平台条件支持，还获得了国家自然科学基金，北京市自然科学基金等经费的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202300387