高灵敏度干涉定量相位显微前沿进展与应用(封面文章·特邀)

在无标记原生状态下对活细胞进行精准观测具有重大挑战,因其结构变化引起的形变可小至亚纳米尺度。此外,针对下一代原子级尺度制造,缺乏高精度在线表征工具将导致大规模芯片生产中良品率偏低。干涉定量相位显微技术(Interferometric Quantitative Phase Microscopy,iQPM)作为一种无标记宽场显微技术,已被广泛应用于定量解析样本形貌及其动态变化,在晶圆缺陷检测与疾病诊断等应用上展现出巨大潜力。文中聚焦于高灵敏度iQPM技术的发展,首先介绍iQPM的工作原理、相位灵敏度理论和制约因素。针对细胞动态分析及原子材料计量需求,从干涉光路设计、探测和照明等方面进一步讨论了相位灵敏度极限拓展的策略,并梳理高灵敏度iQPM在前沿应用领域的进展。最后,分析并讨论了相位灵敏度提升的新思路。

基于二维朗奇相位光栅的四波横向剪切干涉定量相位成像

定量相位成像具有无标记、非入侵及三维观测的特点,在生物医学、工业检测等领域有着显著的优势。本文提出利用二维朗奇相位光栅实现基于四波横向剪切干涉的定量相位成像的方法。理论分析了光栅周期和照明波长对四波剪切干涉的影响,得到了光栅周期与探测器像素尺寸的最佳匹配关系,论证了宽光谱光源照明下定量相位成像的可行性。实验搭建了结构紧凑的四波剪切干涉定量相位显微成像装置,实现了对PMMA微球、微透镜阵列和葡根霉菌切片的定量相位成像和测量。该装置可方便地与普通光学显微镜相结合,具有巨大的应用潜力。

白光衍射相位成像应用于生物活细胞定量相位成像的研究

为实现生物活体细胞的高分辨率定量相位成像,设计和组建了一套白光(卤素灯)作为照明光源的衍射显微相位成像系统.在未放置样品的时候测得系统的空间噪声低于0.60nm,时间噪声低于0.04nm;用标准聚苯乙烯微球作为样品验证了系统测量的准确性.最后,以活体血红细胞与大肠杆菌细胞为样品,获得了准确的定量相位像;并对霉菌孢子进行了长时间的观察,获得了其在水中萌发的序列动态定量相位像.实验结果表明,建立的系统成像精度高,且具有长时间观察生物活细胞的能力.

基于分数阶螺旋相位片的定量相位显微成像

螺旋相衬显微术利用螺旋相位滤波器实现了样品振幅和相位的定量测量,可被广泛应用于生物医学成像、工业检测等领域.然而,传统的螺旋相衬显微术需要通过三步相移法进行相位恢复,图像采集和处理过程相对复杂,时间分辨率较低.为了提升其特性,本文提出了一种基于分数阶螺旋相位片的定量相位成像方法和系统,通过一幅经分数阶螺旋相位滤波的样品强度图像,利用改进的Gerchberg-Saxton迭代相位恢复算法实现了样品相位的定量重构,简化了实验过程和相位重构步骤.计算机模拟实验研究了基于不同拓扑荷数的螺旋相位片的相位成像和重构过程,分析了其可行性.最后,通过对定制的相位型光栅和生物细胞样品进行了成像和相位重构,验证了基于分数阶螺旋相位片的相衬显微方法可以有效地提高螺旋相衬显微成像的对比度,能够定量获其样品的相位信息,对于螺旋相衬显微术的发展具有重要的研究意义和应用价值.

基于单一分光棱镜干涉仪的双通路定量相位显微术

仅仅使用一个单独的分光棱镜(BS),实现了一种用于生物细胞三维成像的双通路定量相位显微术.不同于传统的使用方法,将BS倾斜放置,使中央半反射层与入射光光轴之间存在一个非常小的角度.这样基于BS的分光特性,经过BS后的透射光束和反射光束将会叠加在一起并形成干涉.调节样品位置,利用相机拍摄同时获得了存在π相移的双通路干涉图.这种离轴干涉模式,只需要记录单幅干涉图就可以获得真实的相位信息,方法结构简单,易于操作,适用于微小透明样品的三维形貌测量.

高精度定量相位显微成像方法研究

定量相位显微成像在工业检测、生物医学和光场调控等领域具有重要的应用价值。常用的定量相位显微成像技术通过干涉的方法来获取相位的定量分布,干涉装置的稳定性、光学衍射极限的限制、相位再现时的解包裹问题、激光照明下的相干噪声,以及动态观测过程中的样品离焦等因素都会影响定量相位显微成像的分辨率和精度。本文围绕高精度定量相位显微成像中的上述关键问题展开研究,通过构建物参共路的同步相移数字全息显微结构实现稳定的实时测量;采用结构光照明的超分辨相位成像方法实现对微小物体的超分辨相位成像;利用双波长照明将纵向无包裹相位测量范围扩大到微米量级;使用低相干LED照明解决相干噪声问题;提出了基于结构光照明和双波长照明的数字全息显微自动调焦方法,可以满足对不同类型样品的长时间跟踪观测。

平场定量相位显微镜在骨髓间充质干细胞线粒体动力学观察中的应用研究(特邀)

分离培养SD大鼠骨髓间充质干细胞,传代纯化后接种至共聚焦培养皿,置于自主研发搭建的平场定量相位显微镜下,利用荧光及相位双通道证实线粒体特征后,进行长时间无标记观察,分析平场定量相位显微镜观察到的线粒体分裂、融合过程,以及细胞凋亡过程中的线粒体变化。平场定量相位显微镜无标记观察到的线粒体可与荧光标记的线粒体完全重叠,表明平场定量相位显微镜可以清晰观察线粒体并进行无标记高分辨率成像。同时,平场定量相位显微镜可以对培养条件下的骨髓间充质干细胞进行长时间无标记观察,并高分辨率记录线粒体分裂、融合过程。此外,还利用平场定量相位显微镜首次完整记录了CCCP作用下线粒体的变化,该变化直观地呈现了线粒体途径的细胞凋亡过程。平场定量相位显微镜可以对培养的细胞进行长时间无标记高分辨率观察,为线粒体动力学的研究提供了一种新的观察手段。

基于波面分割及多平面相位恢复的定量相位成像技术

提出了一种基于微透镜阵列分割波前及多平面相位恢复的定量相位成像技术。针对大动态范围的相位物体实现定量相位成像,该技术同时施加了横向波面分割、轴向多衍射平面和多波长照明三种约束。该技术记录了两种不同波长照明下,微透镜阵列焦面附近不同衍射距离的强度分布图,采用多平面相位恢复算法提取透过相位物体的数字复振幅光场,通过双波长数字复振幅光场相位提取算法,实现了大动态范围下的相位物体成像。数字仿真实验中,在640 nm和685 nm的照明下,对相位变化范围大、结构复杂的相位物体进行了模拟仿真,结果表明,该技术可以高效、便捷地实现高精度相位成像。

定量相位成像技术在超快激光加工检测中的应用

采用定量相位成像技术对飞秒激光在玻璃材料内部加工的空腔结构进行定量相位成像检测。首先通过改变飞秒激光的脉冲能量在玻璃内部制作了不同结构的空腔,然后使用定量相位成像装置对样品进行了成像表征。结果显示:定量相位成像技术在对内部空腔进行成像的同时,还可以探测到玻璃空腔周围光学性质改变的区域。研究了玻璃内部有无掺杂对加工结果的影响,并分析总结了飞秒激光在玻璃内部加工的三维模型。定量相位成像技术既可以对样品进行无损检测,有效提高样品的检测效率,又可以定量测量样品的光学特性,因此,该技术在激光加工检测领域中具有广阔的应用前景。

数字全息显微定量相位成像的实验研究

建立了一套预放大式数字全息显微成像系统,通过对样品进行显微放大,实现了高分辨率的定量相位成像;并通过计算机控制相机自动曝光记录序列的数字全息图实现了动态相位成像。用标准样品验证了系统测量的准确性;以活体洋葱表皮细胞和血红细胞为样品,获得了清晰的定量相位像;以置于水环境的草履虫为样品,实现了动态成像。实验结果表明建立的系统可以实现高分辨率的动态定量相位成像,可以应用于生物活体样品的显微研究。

生物细胞定量相位显微技术及相位恢复方法的新进展

相位显微技术,尤其是定量相位显微技术,能够非侵入、无损伤地实现相位体形态结构成像,从而在生物细胞结构分析、类别识别和动力学行为研究中有着极其重要的应用。根据相位显微成像光路特征对相位成像技术做了分类,对典型的同轴干涉和离轴干涉两类成像技术进行了特征评析,并且介绍了这两类技术中几种重要的相位恢复方法,对三维定量相位显微技术的最新研究现状也给予了简单介绍,最后展望了相位显微技术未来的发展趋势。

基于光强传输方程的非干涉相位恢复与定量相位显微成像:文献综述与最新进展

相位恢复与定量相位成像是光学测量与成像技术领域的一个重要课题。传统干涉测量法依赖高度相干光源的干涉叠加,干涉装置复杂,测量环境要求苛刻,引入的散斑噪声极大地限制了传统干涉测量法在显微成像领域的应用。光强传输方程(TIE)作为最具代表性的相位恢复方法之一,为定量相位成像提供了一种新的非干涉手段。近些年来,该方法在国内外得到广泛研究与关注,发展迅速,成果显著,在自适应光学、X射线衍射光学、电子显微学、光学显微成像等领域展现了巨大的应用潜力。从光强传输方程的基本原理、方程求解、光强轴向微分的差分估计、部分相干成像与光场成像等几方面综述了光强传输方程在光学成像领域,特别是定量相位显微成像领域的研究现状与最新进展,并针对现存问题以及今后的研究方向提出了建议。

基于白光干涉的自稳定定量相位成像系统

提出和建立了基于白光干涉的自稳定定量相位成像系统。该系统以柯勒照明的白光迈克耳孙干涉计为基础,使用自稳定锁相电路以减少相位噪音,引入相移装置获得定量的相位图像。实验分别以平面镜、标准测试图和聚苯乙烯小球为样品,获得了清晰的定量相位图像,实现了对样品的实时观测。该装置采用卤素灯照明,达到轴向分辨力5 nm,系统中的柯勒照明结构使其具有高空间相干性。实验结果表明,该装置能有效避免系统中其他光学表面(如系统中的透镜表面)干扰信号的影响。

基于强度传输方程和微分干涉相差显微镜的定量相位成像及其在乳腺癌诊断中的应用

结合光的强度传输方程和微分干涉相差(DIC)显微镜设计了一套定量相位显微成像系统,用以同时揭示癌变过程组织微结构的三维改变以及由此导致的光散射特性的变化。采集257例乳腺浸润性导管癌未染色石蜡包埋组织切片的DIC图像,由强度传输方程获得其二维分布相位图,并由散射相定理进一步导出空间分辨的光散射特性图。结果表明:乳腺浸润性导管癌的分级与组织的约化散射系数、各向异性因子高度相关;随着癌症分级的提高,乳腺浸润性导管癌组织的约化散射系数显著增大,各向异性因子显著减小。利用所得的光散射特性参数预测乳腺浸润性导管癌的癌症分级,准确率可达88%。DIC显微镜自身具有的无标记、高图像衬度等特点使得该实验方法也可以用于新鲜组织或冰冻组织切片,并可用于实时、快速的病理诊断。

卤素灯照明光栅衍射共路数字全息显微定量相位成像

数字全息显微术是数字全息术和光学显微术相结合的定量相位成像技术。为克服高相干光源(激光)照明产生的散斑噪声和寄生条纹噪声,以及参物光路分离系统结构的不稳定性(易受外界震动干扰),实现了白光照明(卤素灯照明)的基于光栅衍射的共路离轴数字全息显微定量相位成像。首先基于理论分析和计算,得出系统可采用的光学元件参数和系统结构参数;然后建立了一套卤素灯照明的光栅衍射共路数字全息显微成像系统;最后对系统的成像准确度和时空噪声进行了测量。实验结果表明,该系统具有高准确度的成像性能,并具有非常高的时空敏感性(空间噪声为0.6nm,时间噪声为0.04nm)。

一种基于共轴干涉的相位物体定量成像技术

为了实现生物组织及相位光栅等透明相位物体的快速定量相位测量与成像,基于共轴干涉及相衬干涉原理,构建了一套相位物体定量相位快速测量与成像系统。分析了定量成像原理,设计了相应的相位提取及恢复算法。通过拍摄单幅或两幅相衬图,实现了相位光栅、水滴等小相位变化的相位样品的定量相位测量与成像。设计了相应的分区差分相位解包裹算法,实现了相位值超过π的微透镜的定量相位测量与成像。结果表明,通过该系统测量所得到的全息相位光栅的相位分布以及不同超声驱动电压下弱超声驻波光栅的相位振幅变化关系与其它方法所得的测量结果基本一致;微透镜的实验测量厚度值与理论计算值相比,绝对误差约为0.03μm。本系统具有一定的可行性和适应性,在生物细胞和组织等透明相位物体的快速测量与成像方面有潜在的应用意义。

生物细胞定量相位测量与恢复方法研究进展

细胞定量相位测量与恢复方法采用免标记非干预式的检测手段,实现静态及动态生物样本空间形态的定量重构,为细胞动力学过程中复杂生物物理信息的可视化检测提供了实现条件。重点介绍同步相移式、数字全息式和流体聚焦式等新型动态生物细胞相位检测技术,同时简要综述同轴干涉与离轴干涉式的传统静态细胞相位检测技术的发展。对各种方法的采样速率、成像分辨率、细胞检测精度等关键参数进行比较,阐明不同测量方法适用的生物信息检测类型及应用领域,同时介绍动态与静态细胞相位检测中对应各类相位恢复方法的特点与发展。

基于离焦型夏克-哈特曼传感器的定量相位成像技术

提出了一种基于离焦型夏克-哈特曼传感器的定量相位成像技术。该技术利用离焦型夏克-哈特曼波前传感器记录两种不同波长的光的照射下的强度分布图,采用双波长相位恢复算法进行相位恢复,获得了透过相位物体的数字光场,实现了纯相位物体成像。数值模拟结果表明该定量相位成像技术方法简单、精度高、收敛速度快,是一种非常具有潜力的定量相位成像技术。

高稳定性定量相位显微技术

定量相位显微技术容易受到环境扰动的影响。如何克服环境扰动对量化相位成像的影响,一直是相位成像领域研究的热点。着重介绍了物参共路数字全息显微技术和单光束定量相位显微技术。前者主要包括斐索干涉显微、Mirau干涉显微、离轴和同轴点衍射干涉显微、双球面照明的数字全息显微和空间复用数字全息显微;后者主要包括共轴数字全息和基于平行光照明、超斜照明和多点离轴照明的定量相衬显微。希望该综述能为构建高稳定性、实用化定量相位显微装置提供有益参考。

衍射相位显微成像的发展综述

定量相位成像(Quantitative Phase Imaging,QPI)作为无标记显微成像,已成为生物医学应用中最有价值的方法之一。衍射相位显微成像(Diffraction Phase Microscopy,DPM)是一种微离轴共路径的高灵敏度QPI方法,具有无标记、高稳定性和低时空噪声等特点。本文系统介绍了干涉成像原理、系统参数选择与相位恢复算法,综述了一系列DPM改进方法,包括白光衍射相位成像、多波长衍射相位成像、结构光照明衍射相位成像、多模式衍射相位成像,以及这些方法在生物医学中的应用,最后讨论了现有DPM方法的局限性以及今后可能的发展方向。