上海高研院在相位顯微成像方面獲進展

近日，中國科學院上海高等研究院王中陽團隊提出基于相位恢復算法的單次曝光定量相位顯微技術。相關研究成果以Phase microscopy using band-limited image and its Fourier transform constraints為題，發表在《光學快報》（Optics Letters）上。

相位恢復技術作為非干涉的定量相位重構技術，為透明細胞結構和三維表面形貌等提供了無標記、無接觸、無損傷的重要測量手段。然而，以迭代投影算法為核心的相位恢復技術，其有效性依賴于解的唯一性和算法的收斂性。在現有同類技術中，X射線相干衍射成像技術（CDI）需要成像物體的先驗信息（如準確的成像物體尺寸）來施加“緊”約束條件使算法收斂到正確的相位信息。進一步發展的疊層成像技術和傅里葉疊層顯微技術通過物面或傅里葉面的多幀冗余測量來提高算法的收斂性。然而，在實際的生物成像中，準確的物體尺寸通常難以獲得，且多幀冗余測量降低了成像的時間分辨率。上述問題限制了它在無標記生物動態成像中的應用。

基于此，王中陽團隊提出了新型的單次曝光定量相位顯微技術，稱為BIFT（Bandlimited Image and its Fourier Transform）顯微鏡。科研人員在傳統光學顯微鏡上引入分束器和傅里葉透鏡，同時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中固有的視場、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約束，去除了CDI技術中常見的三類模糊解（即無法區分原始物體的平移、共軛旋轉以及全局相移），提升了解的唯一性和算法的收斂性。同時，該技術的空間帶寬積（SBP，衡量顯微系統成像信息容量的不變量）僅受顯微物鏡參數限制，打破了CDI技術成像系統SBP依賴于采樣率，會因其過采樣需求而SBP降低至少一半的限制。由于采集了像的幅度信息，該技術的采樣率相比CDI技術降低了一半，同時改進的算法提升了算法收斂速度和相位重構精度。此外，該工作還討論了采樣率、像素響應、噪聲等因素對相位恢復的影響。實驗演示了光柵和血紅細胞的單次曝光相位成像。在血紅細胞的定量相位恢復的實驗研究中顯示，該技術單次曝光的條件下即達到了數字全息顯微中10幀圖像才能達到的效果。重構的紅細胞光學高度如圖b所示。因此，該技術單次曝光相位成像的能力有望在無標記生物動態成像中得到廣泛應用。

研究工作得到上海市科學技術委員會的支持。相關技術已得到國內專利授權，并申請國際PCT專利。

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顯微系統裝置示意圖與血紅細胞重構結果