【中国激光杂志社】封面 | 精确非干涉定量相位成像170
Photonics Research 2023年第3期封面文章：  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的研究方向，并在生物细胞学、病理学以及药物研发等领域进行了广泛的应用。 得益于激光、电荷耦合器件（CCD）和计算机的发明，基于干涉成像的经典相位测量技术被提出。其通过叠加附加的相干参考光束和原始物体光束，将不可见的相位信息编码到条纹图案中，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。这一技术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，可实现对透明样品的精确定量观测。然而，由于其所需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，干涉相位测量并未在生物显微成像领域得到广泛的应用。 部分相干照明下的定量相位成像（光强传输方程、差分相衬）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无法直接建立强度-相位的求解机制。 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导致这类技术固有的缺陷：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。 为解决上述问题，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，首次给出了弱物体近似的严格数值定义，并引入赝弱物体近似模型，提出迭代反卷积算法，无需任何额外数据实现了精确的定量相位成像，使差分相衬成像算法的适用范围从弱相位物体扩展到大相位物体。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第3期。 针对弱物体近似缺乏物理或数学上的明确定义的问题，研究人员分析了部分相干成像下的强度生成模型，发现尽管弱物体近似是对观测样品的近似模型，但是该近似下的非线性强度误差受到物体相位分布和照明孔径的影响，这就意味着探究弱物体近似的定义需要同时考虑这两个因素。为得到弱物体近似的严格定义，研究人员施加急剧变化的阶梯样品以及环形照明孔径约束以产生最大的非线性强度误差，通过仿真不同相位数值下的定量相位重构结果并通过均方根误差数值作为相位“定量化”的评判标准，首次给出了弱物体近似的严格数学定义。 弱相位近似模型要求物体相位不大于0.5 rad，此时由其推导的一步反卷积算法可对任意照明孔径下的任意物体分布实现精确的定量相位重构。而当物体相位大于0.5 rad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。这一结论从来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 确定严格的弱物体近似定义的数值仿真结果；（a）照明孔径及其相应的相位传递函数；（b）相位数值为0.5 rad时微透镜阵列和急剧变化的阶梯的相位重构结果；（c）,（d）在不同的照明孔径下，微透镜阵列和急剧变化的阶梯样品的重构相位的RMSE曲线 为了应对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问题，研究团队将电子显微镜中的赝弱物体近似模型引入光学显微成像领域。赝弱物体近似最初于1982年由李方华院士提出，其首次阐明了衍射场强度与晶体层数或厚度之间的定量关系，揭示了轻重不同原子像强度与衍射距离间的变化规律，从而将高分辨电子显微相衬线性区得以极大拓展，达到比弱相位物体近似宽容得多的程度。 算法的基本思想可以描述为：通过阿贝模型和传递函数模型下的强度差分来不断消除强度中的非线性成分，使用于反卷积重构的强度逼近理想线性分布，实现物体定量相位的更新和细化。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。  上述迭代反卷积算法的精确定量相位成像能力在MCF-7人乳腺癌细胞的观察实验中得到了验证，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：（a1）-（d1），（a2）-（d2）一步反卷积和迭代反卷积下四个感兴趣区域;（e）重构相位的三维显示 研究团队表示：“弱物体近似的定量化定义为衡量差分相衬技术的重构相位准确性提供依据。所提出的迭代反卷积拓展了差分相衬的适用物体范围，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。未来，研究团队将针对这一技术的生物学与微光学表征应用展开研究，以期拓展非干涉定量相位成像技术在高精度测量领域的相关应用。” 研究团队简介
南京理工大学智能计算成像实验室（SCILab: www.scilaboratory.com）隶属于南京理工大学副校长、长江学者陈钱教授领衔的“光谱成像与信息处理”教育部长江学者创新团队、首批“全国高校黄大年式教师团队”。实验室学术带头人左超教授为国家“优青”、国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、美国光学学会会士（Optica Fellow），入选科睿唯安全球高被引科学家。实验室致力于研发新一代计算成像与传感技术，在国家重大需求牵引及重点项目支持下开展新型光学成像的机理探索、工程实践以及先进仪器的研制工作，并开拓其在光学显微、光学计量、生命科学、生物医药、智能制造、遥感监测等领域的前沿应用。研究成果已在SCI源刊上发表论文180余篇，其中20余篇论文被选作Light等期刊封面论文，20篇论文入选ESI高被引论文/热点论文，论文被引超过10,000次。中国光学工程学会技术发明一等奖、江苏省科学技术奖基础类一等奖、日内瓦国际发明展“特别嘉许金奖”等。实验室研究生5人次获全国光学工程优秀博士论文/提名，5人次获得中国光学学会王大珩光学奖，5人次入围Light全国光学博士生学术竞赛全国百强，获全国“挑战杯”、“互联网+”、“创青春”、“研电赛”特等奖/金奖十余次。 科学编辑 | 范瑶 南京理工大学 编辑 | 木拉提·满苏尔 推荐阅读 来源 | 中国激光杂志社 排版 | 孙菲 复审 | 左超 终审 | 徐峰 |
