西安光机所在高分辨定量相位成像领域取得重要进展

近日，中国科学院西安光机所超快光科学与技术全国重点实验室姚保利研究员团队在定量相位成像（Quantitative Phase Imaging, QPI）领域取得了重要进展，相关研究成果发表于光学领域国际著名期刊Optica。论文第一作者为中国科学院西安光机所2022级博士研究生薛雨阁，通讯作者为闵俊伟和姚保利研究员，西安光机所为第一完成单位及通讯单位。

QPI技术作为一项无标记、非侵入、全场光学成像技术，能够精确获取样品的光学相位信息及其关联的物理特性，在生物医学、材料科学、流体物理、工业检测等领域应用广泛。然而，现有的QPI技术各有其局限性：以微分相衬、强度传输方程等为代表的非干涉方法，虽光路结构简单，但多帧采集限制了时间分辨率，且相位重建依赖弱相位物体或傍轴近似；以数字全息、衍射相位显微等为代表的干涉方法，相位测量精度高，但易受激光散斑噪声影响，对环境稳定性要求严苛，系统集成度低；基于四波横向剪切干涉的波前传感技术能实现单次曝光快速相位成像，但四束衍射光间的串扰限制了其空间带宽利用率，影响了成像分辨率。

对此，研究团队提出了一种正交偏振复用剪切干涉（orthogonal polarization-multiplexed shearing interferometry, OPSI）技术。该技术通过特殊设计的偏振调制衍射光学元件（P-DOE），将入射的物光衍射为四束具有特定传播方向与偏振状态的衍射光，其中沿同一对角线方向的两束衍射光具有相同的偏振态，而两组对角线之间的偏振态则彼此正交（如图1所示）。

图片:W020251201590238915285_ORIGIN.png

图1. Q-camera用于显微成像的实物装置图以及工作流程示意图

当衍射光传播到传感器表面时，仅偏振态相同的衍射光之间发生干涉，最终在相机靶面上形成一幅仅包含两组正交剪切干涉的网格状图，再经由特定的相位重建算法从该图中计算出样品的定量相位分布。通过精巧的偏振设计，仅允许偏振方向相同的两束光发生干涉，最终在相机靶面上形成一幅纯净、无串扰的剪切干涉图，再经由专用算法重建出高精度相位分布。

基于上述OPSI方法构建集成化定量相位相机Q-camera，将空间带宽利用率由39%提升至54%，显著增强了系统的成像细节分辨能力。相机支持单次曝光实时成像，实验以30fps的帧频展示了水中轮虫的实时运动行为（如图2所示）。此外，该技术兼容激光与低相干宽带光源，并具有宽波段适用能力，使用宽带照明光源（如卤素灯等）照明可以显著提升图像质量。

Q-Camera结构紧凑、空间分辨率高、工作波段宽，可直接与普通光学成像系统对接，极大提升了其在光学材料检测、生物医学研究、微流控分析以及工业精密测量等领域的应用潜力，也推动了QPI技术从实验室走向产业应用。

图片:W020251201590239232781_ORIGIN.png

图2. 水中轮虫的运动轨迹与姿态的实时拍摄和相位再现

本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会等项目的支持。

姚保利研究员团队长期专注于高精度定量相位成像领域研究，积累了丰富的技术经验并取得了诸多研究成果。研究团队现已与国内外多家科研院所及高校开展了深入的合作，先后为流场可视化、工业检测等应用研发了多种定量相位成像装置，其中高精度定量相位显微观测装置已应用于我国载人空间站科学实验专柜。团队在Nat. Commun.、PNAS、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等期刊上发表300多篇论文，授权多项国家发明专利，曾获陕西省科学技术一等奖、二等奖和陕西省重点科技创新团队等奖励和荣誉。

相关链接：https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-12-11-1820