上海高研院在相位顯微成像方面獲得進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院上海高等研究院王中陽團(tuán)隊(duì)提出基于相位恢復(fù)算法的單次曝光定量相位顯微技術(shù)。相關(guān)研究成果以Phase microscopy using band-limited image and its Fourier transform constraints為題，發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》（Optics Letters）上。 相位恢復(fù)技術(shù)作為非干涉的定量相位重構(gòu)技術(shù)，為透明細(xì)胞結(jié)構(gòu)和三維表面形貌等提供了無標(biāo)記、無接觸、無損傷的重要測(cè)量手段。然而，以迭代投影算法為核心的相位恢復(fù)技術(shù)，其有效性依賴于解的唯一性和算法的收斂性。在現(xiàn)有同類技術(shù)中，X射線相干衍射成像技術(shù)（CDI）需要成像物體的先驗(yàn)信息（如準(zhǔn)確的成像物體尺寸）來施加“緊”約束條件使算法收斂到正確的相位信息。進(jìn)一步發(fā)展的疊層成像技術(shù)和傅里葉疊層顯微技術(shù)通過物面或傅里葉面的多幀冗余測(cè)量來提高算法的收斂性。然而，在實(shí)際的生物成像中，準(zhǔn)確的物體尺寸通常難以獲得，且多幀冗余測(cè)量降低了成像的時(shí)間分辨率。上述問題限制了它在無標(biāo)記生物動(dòng)態(tài)成像中的應(yīng)用。

基于此，王中陽團(tuán)隊(duì)提出了新型的單次曝光定量相位顯微技術(shù)，稱為BIFT（Bandlimited Image and its Fourier Transform）顯微鏡?？蒲腥藛T在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡上引入分束器和傅里葉透鏡，同時(shí)采集顯微物體的像以及透鏡變換后的傅里葉像。BIFT顯微裝置如圖a所示。研究通過利用顯微系統(tǒng)中固有的視場(chǎng)、頻譜受限以及有限照明等作為約束條件，從而避免了成像物體的先驗(yàn)約束，去除了CDI技術(shù)中常見的三類模糊解（即無法區(qū)分原始物體的平移、共軛旋轉(zhuǎn)以及全局相移），提升了解的唯一性和算法的收斂性。

同時(shí)，該技術(shù)的空間帶寬積（SBP，衡量顯微系統(tǒng)成像信息容量的不變量）僅受顯微物鏡參數(shù)限制，打破了CDI技術(shù)成像系統(tǒng)SBP依賴于采樣率，會(huì)因其過采樣需求而SBP降低至少一半的限制。由于采集了像的幅度信息，該技術(shù)的采樣率相比CDI技術(shù)降低了一半，同時(shí)改進(jìn)的算法提升了算法收斂速度和相位重構(gòu)精度。此外，該工作還討論了采樣率、像素響應(yīng)、噪聲等因素對(duì)相位恢復(fù)的影響。實(shí)驗(yàn)演示了光柵和血紅細(xì)胞的單次曝光相位成像。在血紅細(xì)胞的定量相位恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究中顯示，該技術(shù)單次曝光的條件下即達(dá)到了數(shù)字全息顯微中10幀圖像才能達(dá)到的效果。重構(gòu)的紅細(xì)胞光學(xué)高度如圖b所示。因此，該技術(shù)單次曝光相位成像的能力有望在無標(biāo)記生物動(dòng)態(tài)成像中得到廣泛應(yīng)用。

顯微系統(tǒng)裝置示意圖與血紅細(xì)胞重構(gòu)結(jié)果 研究工作得到上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的支持。相關(guān)技術(shù)已得到國內(nèi)專利授權(quán)，并申請(qǐng)國際PCT專利。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OL.487626