Photonics Research报道我校非干涉定量相位成像技术最新进展

2023-04-19来源:电子工程与光电技术学院作者:孙菲审核人:徐峰编辑:葛玲玲阅读:106

近期,我校电子工程与光电技术学院(以下简称“电光学院”)陈钱教授、左超教授团队在非干涉定量相位成像技术领域取得最新进展,相关研究成果在光学顶尖期刊Photonics Research上发表,论文题目为“Accurate quantitative phase imaging by differential phase contrast with partially coherent illumination: beyond weak object approximation”。该成果当选为期刊封面论文,并被中国激光杂志社公众号报道。电光学院博士生范瑶是该论文的第一作者,陈钱教授、左超教授为论文的共同通讯作者,我校为第一完成单位和通讯单位。

文章链接:https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-11-3-442&id=527100

 在光学成像中,“相位”是光场(严格来说是单色相干光场)中最重要的组成部分之一。尤其是在光学显微成像领域,大部分被测物体属于弱吸收的相位物体,光通过物体(如细胞)时,其振幅几乎不变,而透射光的相位则包含了关于样品的重要信息,如三维形貌与折射率分布。因此,相位信息的获取就显得尤为重要,推动了“相位测量”技术的出现。目前,“相位测量”已成为光学显微成像领域一大主要研究方向,并在生物细胞学、病理学以及药物研发等领域得到了广泛应用。经典的相位测量技术基于干涉成像的原理,结合条纹分析、数值传播和相位解包裹等算法解调样品的定量相位信息,为精确测量待测样品的相位提供了一套可靠的光学计量方法。然而,由于其需要相干性极高的照明光源和精密校准的干涉测量光路,且极易受到散斑噪声的影响,干涉相位测量并未得到广泛应用。

部分相干照明下的定量相位成像(差分相衬、光强传输方程)为实现更高质量的“非干涉”相位测量开辟了新的可能。其具有成像系统配置简单、更易实现,成像算法无需相位解包裹,成像结果具有更高的横向/轴向分辨率以及鲁棒性等优势。然而,不同于干涉成像物体分布与复振幅的线性关系,部分相干强度与物体传输呈“双线性”特征,这一复杂的关系使得强度-相位的求解机制无法直接建立。通常情况下,部分相干成像下的定量相位成像技术需要引入弱物体近似模型来线性化其强度分布,建立采集强度和物体相位的显式表达,从而推导相位反演算法。然而,弱物体近似模型的引入在带来便利的同时也使得这类技术存在两个方面的固有缺陷:1)弱物体近似模型被描述为定性的、含糊的“相位较小的物体”,缺乏物理或数学上的明确定义;2)相位重构的精确度受限于真实物体与近似模型的匹配程度。这两个局限性将使定量相位成像失去其最引以为傲的“定量”特性,无法再为后续分析(如细胞形态学和细胞干质量测量)提供精确的、可靠的数据。

针对上述问题,南京理工大学陈钱教授和左超教授课题组开展部分相干定量相位成像探索性工作,通过理论分析与数值仿真,首次给出了弱物体近似的严格数学定义。具体而言,弱相位近似模型要求物体相位不大于0.5rad,此时一步反卷积算法可对任意物体分布和照明孔径实现精确定量相位重构;而当物体相位大于0.5rad时,弱相位近似不被满足,重构结果与物体真值不再一致,其成像结果不再可靠。这一结论从理论上说明了定量相位成像的“定量化”特性所需要满足的条件,为衡量相位重构的准确性提供了理论基础。

 图1 确定严格弱物体近似定义的数值仿真结果。(a) 照明孔径及其相应的弱相位传递函数。(b), (c) 不同的照明孔径下,随相位数值增大微透镜阵列和急剧变化的阶梯样品重构相位的均方根误差曲线。(d), (e) 在0.01宽度的半环形照明下,不同相位数值的微透镜阵列的和急剧变化的阶梯样品的重构相位及定量化剖线

为了突破弱物体近似下定量相位成像技术难以实现对大相位物体准确重构的限制,研究团队进一步引入电子显微镜中的赝弱物体近似模型,将部分相干成像下的大相位物体表示为多层弱相位结构的叠加。基于此,将相位反演考虑为一个最优化问题,提出了迭代反卷积的相位重构算法(图2)。该算法无需额外的采集数据即可实现对大相位物体的精确定量相位重构,突破了弱物体近似的限制,将部分相干的定量相位成像算法拓展到了大相位物体。

图2 迭代反卷积重建的算法流程图

团队通过对MCF-7人类乳腺癌细胞的观察实验验证了迭代反卷积算法的精确定量相位成像能力,结果如图3所示。与传统一步反卷积算法相比,对于具有大相位值的有丝分裂细胞,一步反卷积(蓝色曲线)提供了过小的细胞形态特征,迭代反卷积(红色曲线)准确地恢复了样品的定量特征,展示了其准确的三维形态数据。结果表明,该技术提供了更加准确的细胞三维形态学数据,有望为早期癌症确诊治疗提供有效的技术方案。

 图3 MCF-7人类乳腺癌细胞的实验结果。(a) 迭代反卷积下的全视场重构相位。(b), (c) 沿着白色虚线的相位数值。(d1)-(g1), (d2)-(g2) 一步反卷积和迭代反卷积下四个感兴趣区域的放大图像。(h) 重构结果的三维显示和定量相位剖线

上述工作得到了国家自然科学基金;江苏省基础研究计划前沿引领专项;江苏省青年基金项目;江苏省科技计划生物医药竞争类项目;江苏省科技计划重点国别产业技术研发合作项目;中央高校科研专项资助项目;江苏省光谱成像与智能感知重点实验室开放基金的支持。