像差校正技术：实现高通量定量相位成像—论文

作者：左超等来源：《光：先进制造》发布时间：2024/12/23 13:55:34

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像差校正技术：实现高通量定量相位成像

导读

近日，南京理工大学左超教授团队、华沙理工大学Maciej Trusiak教授与西安电子科技大学郜鹏教授合作提出了一种创新的高通量成像技术，名为基于像差校正的光强传输定量相位成像技术（Transport-of-intensity QPI with Aberration Correction，TI-AC）。

这项技术融合了像差校正与超分辨率成像技术，可兼容大像素尺寸传感器以实现宽视场成像，并可提供超越奈奎斯特-香农采样分辨率理论极限两倍的成像分辨率，从而实验大视场、高分辨成像。

该研究团队在实验中展示了TI-AC技术在定量相位分辨率靶标和未染色生物细胞上的应用，证明了该技术能够在10×放大倍率、1.77 mm²视场以及0.4数值孔径（Numerical aperture，NA）条件下，将成像分辨率提高至约345 nm，实现了两倍提升。

该成果有望在生物医学、药物发现和癌症诊断等具有高通量成像需求的领域得到广泛应用。

该成果以“High-throughput transport-of-intensity quantitative phase imaging with aberration correction”为题发表在Light: Advanced Manufacturing。

艺术效果图：基于像差校正的光强传输定量相位成像技术

图源：撰稿人

研究挑战

定量相位成像技术（Quantitative Phase Imaging，QPI）能够精确测量光学厚度，从而揭示未经过染色处理的生物样品的微观结构与形态特征。这项技术提供了一种无需标记的观察方法，受到了细胞研究和生物医学领域的广泛关注。光强传输方程（Transport of Intensity Equation，TIE）是一种非干涉相位恢复方法，通过测量多幅轴向离焦光强图以实现定量相位重构。然而，在采用圆形部分相干照明的传统显微成像系统中，部分相干照明将削弱光强图中的相位衬度，导致成像分辨率降低的问题。

此外，生物样本的光学非均匀性和显微镜中的机械干扰导致存在空间/时间变化的像差，尤其是在大成像视场（Field of View，FOV）下显著降低了长时程观测的成像性能。而像差波动与样本和环境密切相关，难以通过使用固定的光学设计进行补偿。因此，在大视场下实现高精度和高分辨率的部分相干照明QPI仍然是一大关键挑战。

技术攻关

基于环形匹配照明的明场显微成像系统所采集的12幅轴向离焦光强堆栈，TI-AC技术通过结合合成孔径相位恢复、像差校正和像素超分辨成像技术，可实现具备高通量成像能力的像差校正定量相位成像（图1）。TI-AC能够通过像差校正消除视场内部空间/时间变化像差的负面影响，从而提高活细胞长时程观察的成像质量。

与传统基于TIE的QPI方法（需要满足奈奎斯特-香农采样率）相比，TI-AC方法可与具有较大像素尺寸的传感器相兼容（2倍像素混叠），因此可提供具有4倍提升的成像视场（FOV）与2倍提升的成像分辨率的高精度定量相位成像。与傅里叶叠层成像（FPM）对匹配照明条件具有严格要求不同，TI-AC基于离焦距离堆栈进行成像，因此对环形照明条件无需严格匹配，展现了更大的应用灵活性。