上海高研院在相位显微成像方面获进展

近日，中国科学院上海高等研究院王中阳团队提出基于相位恢复算法的单次曝光定量相位显微技术。相关研究成果以Phase microscopy using band-limited image and its Fourier transform constraints为题，发表在《光学快报》（Optics Letters）上。

相位恢复技术作为非干涉的定量相位重构技术，为透明细胞结构和三维表面形貌等提供了无标记、无接触、无损伤的重要测量手段。然而，以迭代投影算法为核心的相位恢复技术，其有效性依赖于解的唯一性和算法的收敛性。在现有同类技术中，X射线相干衍射成像技术（CDI）需要成像物体的先验信息（如准确的成像物体尺寸）来施加“紧”约束条件使算法收敛到正确的相位信息。进一步发展的叠层成像技术和傅里叶叠层显微技术通过物面或傅里叶面的多帧冗余测量来提高算法的收敛性。然而，在实际的生物成像中，准确的物体尺寸通常难以获得，且多帧冗余测量降低了成像的时间分辨率。上述问题限制了它在无标记生物动态成像中的应用。

基于此，王中阳团队提出了新型的单次曝光定量相位显微技术，称为BIFT（Bandlimited Image and its Fourier Transform）显微镜。科研人员在传统光学显微镜上引入分束器和傅里叶透镜，同时采集显微物体的像以及透镜变换后的傅里叶像。BIFT显微装置如图a所示。研究通过利用显微系统中固有的视场、频谱受限以及有限照明等作为约束条件，从而避免了成像物体的先验约束，去除了CDI技术中常见的三类模糊解（即无法区分原始物体的平移、共轭旋转以及全局相移），提升了解的唯一性和算法的收敛性。同时，该技术的空间带宽积（SBP，衡量显微系统成像信息容量的不变量）仅受显微物镜参数限制，打破了CDI技术成像系统SBP依赖于采样率，会因其过采样需求而SBP降低至少一半的限制。由于采集了像的幅度信息，该技术的采样率相比CDI技术降低了一半，同时改进的算法提升了算法收敛速度和相位重构精度。此外，该工作还讨论了采样率、像素响应、噪声等因素对相位恢复的影响。实验演示了光栅和血红细胞的单次曝光相位成像。在血红细胞的定量相位恢复的实验研究中显示，该技术单次曝光的条件下即达到了数字全息显微中10帧图像才能达到的效果。重构的红细胞光学高度如图b所示。因此，该技术单次曝光相位成像的能力有望在无标记生物动态成像中得到广泛应用。

研究工作得到上海市科学技术委员会的支持。相关技术已得到国内专利授权，并申请国际PCT专利。

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显微系统装置示意图与血红细胞重构结果