近日，超快光科學與技術(shù)全國重點實驗室姚保利研究員團隊在定量相位成像（Quantitative Phase Imaging, QPI）領(lǐng)域取得了重要進展，相關(guān)研究成果發(fā)表于光學領(lǐng)域國際著名期刊Optica。論文第一作者為中國科學院西安光機所2022級博士研究生薛雨閣，通訊作者為閔俊偉和姚保利研究員，西安光機所為第一完成單位及通訊單位。
QPI技術(shù)作為一項無標記、非侵入、全場光學成像技術(shù)，能夠精確獲取樣品的光學相位信息及其關(guān)聯(lián)的物理特性，在生物醫(yī)學、材料科學、流體物理、工業(yè)檢測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，現(xiàn)有的QPI技術(shù)各有其局限性：以微分相襯、強度傳輸方程等為代表的非干涉方法，雖光路結(jié)構(gòu)簡單，但多幀采集限制了時間分辨率，且相位重建依賴弱相位物體或傍軸近似；以數(shù)字全息、衍射相位顯微等為代表的干涉方法，相位測量精度高，但易受激光散斑噪聲影響，對環(huán)境穩(wěn)定性要求嚴苛，系統(tǒng)集成度低；基于四波橫向剪切干涉的波前傳感技術(shù)能實現(xiàn)單次曝光快速相位成像，但四束衍射光間的串擾限制了其空間帶寬利用率，影響了成像分辨率。
對此，研究團隊提出了一種正交偏振復用剪切干涉（orthogonal polarization-multiplexed shearing interferometry, OPSI）技術(shù)。該技術(shù)通過特殊設(shè)計的偏振調(diào)制衍射光學元件（P-DOE），將入射的物光衍射為四束具有特定傳播方向與偏振狀態(tài)的衍射光，其中沿同一對角線方向的兩束衍射光具有相同的偏振態(tài)，而兩組對角線之間的偏振態(tài)則彼此正交（如圖1所示）。
圖1. Q-camera用于顯微成像的實物裝置圖以及工作流程示意圖
當衍射光傳播到傳感器表面時，僅偏振態(tài)相同的衍射光之間發(fā)生干涉，最終在相機靶面上形成一幅僅包含兩組正交剪切干涉的網(wǎng)格狀圖，再經(jīng)由特定的相位重建算法從該圖中計算出樣品的定量相位分布。通過精巧的偏振設(shè)計，僅允許偏振方向相同的兩束光發(fā)生干涉，最終在相機靶面上形成一幅純凈、無串擾的剪切干涉圖，再經(jīng)由專用算法重建出高精度相位分布。
基于上述OPSI方法構(gòu)建集成化定量相位相機Q-camera，將空間帶寬利用率由39%提升至54%，顯著增強了系統(tǒng)的成像細節(jié)分辨能力。相機支持單次曝光實時成像，實驗以30fps的幀頻展示了水中輪蟲的實時運動行為（如圖2所示）。此外，該技術(shù)兼容激光與低相干寬帶光源，并具有寬波段適用能力，使用寬帶照明光源（如鹵素燈等）照明可以顯著提升圖像質(zhì)量。
Q-Camera結(jié)構(gòu)緊湊、空間分辨率高、工作波段寬，可直接與普通光學成像系統(tǒng)對接，極大提升了其在光學材料檢測、生物醫(yī)學研究、微流控分析以及工業(yè)精密測量等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也推動了QPI技術(shù)從實驗室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
圖2. 水中輪蟲的運動軌跡與姿態(tài)的實時拍攝和相位再現(xiàn)
本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。
姚保利研究員團隊長期專注于高精度定量相位成像領(lǐng)域研究，積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗并取得了諸多研究成果。研究團隊現(xiàn)已與國內(nèi)外多家科研院所及高校開展了深入的合作，先后為流場可視化、工業(yè)檢測等應(yīng)用研發(fā)了多種定量相位成像裝置，其中高精度定量相位顯微觀測裝置已應(yīng)用于我國載人空間站科學實驗專柜。團隊在Nat. Commun.、PNAS、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等期刊上發(fā)表300多篇論文，授權(quán)多項國家發(fā)明專利，曾獲陜西省科學技術(shù)一等獎、二等獎和陜西省重點科技創(chuàng)新團隊等獎勵和榮譽。
