双折射空间差异技术实现了定量相位显微镜的应用

《Optics and Lasers in Engineering》：Birefringent spatial differentiation enabled quantitative phase microscopy

定量相位显微术在生物医学和材料科学中用于非染色透明结构的高对比度相位信息获取。本文提出基于双折射晶体空间微分效应的BSD-QPM方法，将样本相位梯度转化为光强分布差异，实现高精度相位成像。实验显示人工相位样本测量与参考值偏差稳定在纳米级，且通过微分干涉理论可精确测量微小位移。该方法避免了传统QPM的复杂相位 unwrap过程，显著提升了动态生物样本的三维形态成像能力。

　　

吴若仪|杨强|王岩|寿一昌|罗海璐

湖南大学物理与电子学院自旋光子学实验室，长沙，410082，中国

摘要

定量相位显微镜（QPM）是生物医学和材料科学中用于表征透明结构的重要技术，能够以非染色方式提供高对比度的定量相位信息。本文提出了一种名为“双折射空间差分增强定量相位显微镜（BSD-QPM）”的方法，该方法将样品的相位梯度信息转换为光强度分布的差异，从而获取样品的定量相位分布。实验结果表明，人工相位样品的测量值与参考值之间的相对偏差稳定在纳米级别。通过对草履虫细胞和硅藻细胞的成像实验进一步验证了该方法的可行性。此外，我们基于双折射效应建立了差分干涉测量理论，为测量微小位移提供了强大的解决方案。这项工作为生物医学成像提供了一种定量相位成像工具，通过集成偏振分束装置，有望在未来实现对活细胞的非破坏性观察。

引言

相位成像技术是通过检测光波[1]、[2]、[3]、[4]或其他波[6]的相位变化来获取物体信息的方法。与传统的振幅成像不同，相位成像对透明或弱吸收样品具有更高的灵敏度，在生物医学、材料科学等领域具有革命性意义[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。传统的明场显微镜（BFM）无法直接获取相位信息，而荧光显微镜（FM）[12]、[13]存在光毒性和光漂白等问题。相位对比显微镜（PCM）[14]易受环境振动和散斑噪声的影响，且系统复杂，难以在动态生物成像中广泛应用。差分干涉对比（DIC）[15]通过空间梯度调制增强边缘对比度，但其本质上是定性或半定量成像模式，无法满足高精度定量的要求。

由于无标记观察和定量分析的优势[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]，QPM已成为解决这些限制的关键工具。传统的QPM方法包括差分相位对比（DPC）[22]、[23]、数字全息显微镜（DHM）[24]、[25]、[26]和强度传输方程（TIE）[27]、[28]等。尽管上述方法为QPM提供了多种成像解决方案，但它们也存在各自的局限性。例如，DHM需要复杂的干涉装置来引入参考光，并且容易受到环境干扰或散斑噪声的影响；而TIE的横向分辨率有限，这给用户友好型应用带来了挑战。

光学空间差分作为一种光学模拟计算类型，在光传输和处理方面具有固有优势，显著降低了功耗，同时提高了计算速度和效率[29]、[30]、[31]。目前实现光学差分计算的物理系统主要分为两类：一类是人工物理系统，如层状介质[32]、[33]、表面等离子体[34]、[35]和超表面[36]、[37]、[38]，它们通过人工设计的结构来操纵光场以实现差分；另一类是自然物理系统，如自旋霍尔效应[39]、[40]、布里斯特效应[41]、[42]、[43]和各向异性晶体[44]、[45]，它们巧妙地利用了光-物质相互作用的内在物理效应。这些不同的方法极大地丰富和推进了光学差分计算在图像边缘检测[46]、[47]、[48]、[49]和光信号处理[50]、[51]等领域的应用。尽管光学空间差分已应用于细胞组织的高对比度成像[52]、[53]、[54]、[55]，但它仅能对样品的边缘轮廓信息进行定性分析，无法准确定量成像其相位。

在这项工作中，我们提出了双折射空间差分增强定量相位显微镜（BSD-QPM）。为了测量样品的相位梯度并实现定量相位成像，我们利用各向异性晶体（方解石）的双折射效应建立了差分干涉理论。基于这一理论，可以准确测量微小位移。我们通过对方解石人工相位样品和细胞样品的成像验证了BSD-QPM的准确性和可行性。我们的设计策略为三维形态微纳结构的测量提供了一种更稳健、更高效的成像工具。

章节摘录

理论分析

BSD-QPM的实验装置和原理如图1所示。首先分析双折射空间差分的理论。我们将Glan激光偏振器GLP1的光轴方向设置为与x轴成45°角，使得入射光束发生双折射并分裂成两个正交偏振的光束。

实验结果

精确确定初始位移δ_x在相位梯度测量中起着关键作用，其数值精度将直接影响相位重建的准确性。根据电场强度的表达式，强度质心的变化可以表示为

实验结果

精确确定初始位移δ_x对相位梯度测量至关重要，其数值精度将直接影响相位重建的准确性。根据电场强度的表达式，强度质心的变化可以表示为

结论

总结来说，我们提出了一种定量相位显微镜方法，并通过实验验证了其有效性。该方法无需复杂的相位解包过程，有效克服了传统定量相位成像技术的局限性，能够实现对包含相位和振幅信息的复杂生物样品的高质量成像。

CRediT作者贡献声明

吴若仪：撰写——原始草稿、验证、软件开发、方法论、数据整理、概念构思。杨强：撰写——审稿与编辑、监督、软件开发、方法论、数据分析、概念构思。王岩：撰写——审稿与编辑、验证。寿一昌：方法论、数据分析。罗海璐：监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：12174097）的支持。