英国物理学会会士访谈|南京理工大学左超教授

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能够当选为英国物理学会（IOP）会士，对我来说既是对个人学术贡献的认可，也体现了我们智能计算成像实验室（SCILab，https://www.scilaboratory.com/）在计算光学成像与测量领域的长期努力。这一荣誉将激励我在今后的科研工作中继续探索原创性的研究、推动技术转化，并促进相关的国际学术交流与合作。

2. 您目前从事的研究工作有哪些？

我们实验室的研究主要聚焦在四个方向，分别是计算光学显微成像、高速三维光学传感、计算光电成像探测以及先进生物医学成像。围绕这些方向，我们一方面探索新型“计算光学成像”的原理与方法，另一方面也注重工程实践，推动先进仪器的研发，并将相关成果应用到新一代仪器和产品之中，从而不断拓展新的应用场景。

3. 您为什么选择从事相关的领域研究？

我选择从事与计算成像相关领域的研究，源于对科学技术发展的深刻理解和对未来成像技术的期望。2009年，我作为研究生进入南京理工大学，正值诺贝尔物理学奖授予了因其对光的研究而奠定现代数字时代基础的科学家们，特别是CCD图像传感器的发明。这一小型芯片不仅标志着成像技术从模拟时代迈入数字时代，也为我打开了通往光电成像研究的大门。

进入21世纪，随着可调控光电器件、高性能处理器以及新型数学和信号处理工具的发展，光电成像技术实现了飞速的进步，逐步进入计算光学成像的新时代。这一转变，使得光学调控和数字处理能够紧密结合，为传统成像技术的局限性提供了创新的解决方案。

在我的博士研究期间，我亲眼见证了这一技术的演变，从红外探测器的非均匀性校正，到高速结构光投影三维成像，再到非干涉相位恢复与定量相位显微成像，这一切让我逐渐成为计算成像领域的探索者。2014年底，我选择留校工作，并创建了“智能计算成像实验室”，成为国内较早以“计算成像”命名的实验室之一。这个实验室的建立，不仅是对我个人研究兴趣的回应，更是我对未来成像技术的信念：它应当融合智能化的特性，像人类的眼睛和大脑一样，具有强大的信息处理能力。

近年来，人工智能与深度学习的迅速发展为计算成像带来了新的机遇。深度学习技术不仅解决了许多传统方法无法应对的非线性逆问题，还显著提升了成像系统的信息获取能力和性能。在与国内外众多同行的合作中，我们逐渐成为“智能计算成像”领域的开拓者。

2024年，人工智能首次在诺贝尔奖中占据重要地位，标志着这一领域的研究不再是边缘，而逐步成为主流。这一趋势的确立，进一步坚定了我推进计算成像与智能化结合的决心。我相信，在未来的研究中，计算成像必将与人工智能深度融合，推动科学研究的创新与进步。因此，我选择继续在这一领域深耕，推动智能计算成像的发展，为科学技术的进步贡献自己的力量。

4. 您能分享一个职业生涯中最令您自豪的项目或成就吗？

当然可以。当前，显微成像技术的发展正处于关键转型期，面临两大瓶颈：一方面，荧光显微技术虽然因其突破衍射极限而获得两次诺贝尔奖，但其依赖外源标记物的特性使得90%以上的工业与材料样品无法适用，同时光毒性与光漂白等问题也严重制约了生物样品的原位、无损、长时程观测。另一方面，相差显微技术因其“无标记”和“样品普适性”曾获1953年诺贝尔物理学奖，但其一直局限于二维定性观察，难以满足对样品本征结构多维度、高通量定量分析的需求，因而发展显著滞后。2014年12月，恰逢超分辨荧光显微技术获诺贝尔奖之际，Nature Methods发表展望称：“定量相位成像”将引领下一代无标记成像革命，成为“后荧光时代”更深层次理解生命本质、解析疾病机制与实现精准医疗的关键路径。我国“十四五”规划也重点部署以“动态、无标记、三维定量成像”为显著特征的新一代显微镜研发，设立“重大科学仪器设备专项”以加速推进高端显微仪器的自主创新能力，力求打破国外垄断，加快形成新一代显微镜的国际竞争优势。

为应对这些挑战，我们围绕“部分相干光场下相位的直接求解”这一科学问题，在广义相位定义、光场调控机制、合成孔径方法等关键理论与技术上取得了原创性突破。这一进展打破了半个多世纪以来定量相位测量所依赖的相干光干涉机理限制，实现了定量相位成像从“干涉”向“非干涉”的转变。基于这一新技术，我们成功研制出了非干涉多模态定量相位显微镜，这一创新开辟了无标记、高分辨、宽视场、动态三维显微成像的新途径，有效解决了传统生物显微镜在医院诊疗、精密制造和生物医药等领域的核心痛点。

在这个过程中，我们获得了116项中国授权发明专利、23项PCT国际专利和13项美国专利。此外，我们还孵化了锆石光电（苏州）、南京江丰和苏州亚博汉等高新技术企业，研发的产品广泛应用于清华大学、南京大学、北京协和医院、华西医院等上百个单位，甚至售往美、日等39个国家。

这些成就让我深信“计算光学成像”将是未来先进光学仪器的发展方向。通过我们的努力，我们打破了我国高端显微镜长期依赖进口的局面，助力我国在这一领域实现科技自立自强。希望在不久的将来，中国制造的高科技显微镜能够在全球范围内崭露头角。（南京理工大学智能计算成像研究院官方网站：https://www.zircon-opto.com/）

5. 您认为接下来五年该领域的研究重点将会是什么？

在我看来，未来五年计算光学成像的核心任务，是要从“借鉴通信原理与信息论的类比研究”，逐步走向“回归光学本质的原创探索”。传统的空间带宽积调控、频谱复用等方法虽然推动了技术的快速发展，但尚未从根本上突破成像系统的时空分辨率极限。下一阶段，研究将更加聚焦于两个方面：

一是基础理论层面，需要深入探究物函数与光场频谱信号之间的耦合机理，回答信息在光学成像中“从哪里来、如何被调控和重建”的核心科学问题；

二是技术方法层面，需要发展新型的光学调控机制与智能化信息反演方法，以最大限度提取和解耦光场信息，实现更高分辨率、更快速度以及更丰富维度的超时空分辨率成像。

此外，智能计算成像技术的产业化落地和仪器研制也是我们未来研究的重点之一。随着技术的不断进步，我们需要将创新理论和方法转化为实际应用，推动高精度、高效能光学仪器的研发。这不仅包括与医疗、生命科学等领域的深度结合，还涉及到在工业制造、环境监测等多个应用场景中的推广。通过与企业的合作，促进技术转移和市场化，使得我们的研究成果能够在实际中发挥更大的价值，从而实现科研与产业的良性互动。

我相信，随着这些突破的实现，计算光学成像不仅会在科学前沿探索上发挥重要作用，也将在高端精密仪器自主研发、国家重大装备研制以及生命健康等关键领域展现出巨大的应用价值。

6. 您对该领域的青年科研人员有什么建议？

我对青年科研人员的建议有以下几点：

• 倔强与好奇：在科研的旅程中，保持一份倔强和好奇心至关重要。勇于提出问题，敢于探索那些看似“冷门”的方向，因为正是这些未知领域可能孕育着意想不到的发现与灵感。
• 扎实基础：物理、数学与计算机是我们探索光学与计算成像世界的核心语言。牢牢掌握这些基础知识，如同为自己的科研之旅铺设了一条坚实的道路，让你在面对挑战时更加从容不迫。
• 开放与合作：当今的科研已经成为一场跨学科的盛宴，与不同背景的学者交流，能够为你带来新的视角和突破。开放的心态与合作的精神，将助力你在创新的浪潮中乘风破浪。

科研是一条漫长而充满挑战的道路，但只要怀揣热情与毅力，定能在光学与计算成像这片充满活力的土地上开出属于自己的花。在这个过程中，光给我们带来的启发与希望，不仅引领着我们开拓相关技术的发展，也为我们的人生价值注入了无尽的可能性。让我们在追逐光的旅程中，收获梦想与成就，共同创造美好的未来。