近日,中國科學(xué)院上海高等研究院王中陽團(tuán)隊提出基于相位恢復(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》(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量來提高算法的收斂性。然而,在實際的生物成像中,準(zhǔn)確的物體尺寸通常難以獲得,且多幀冗余測量降低了成像的時間分辨率。上述問題限制了它在無標(biāo)記生物動態(tài)成像中的應(yīng)用。
基于此,王中陽團(tuán)隊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、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(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,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)、噪聲等因素對相位恢復(fù)的影響。實驗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)的實驗研究中顯示,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)委員會的支持。相關(guān)技術(shù)已得到國內(nèi)專利授權(quán),并申請國際PCT專利。
論文鏈接:https://doi.org/10.1364/OL.487626
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原文標(biāo)題:上海高研院在相位顯微成像方面獲得進(jìn)展
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