撰
研究背景
定量相位成像（quantitative phase imaging，QPI）是一种无需染色标记即可对透明或半透明样本进行无损成像的重要工具，已经被广泛应用于光学显微镜系统，在生物医学研究中发挥着关键作用。然而，传统光学显微镜的空间带宽积受限于光学成像系统，难以同时获得高分辨率和大视场的成像结果，无法满足日益增长的高通量生物医学应用需求。合成孔径全息术（ISAM）、傅里叶叠层显微术（FPM）和无透镜片上显微术（LFOCM）等计算显微成像技术的发展为高通量成像提供了新的解决方案。其中，ISAM通过引入高精度扫描平台和图像拼接算法来扩展高倍物镜的视场，这极大的增加了系统的复杂度和成本。相比之下，LFOCM移除了光学系统中的透镜和其他中间光学元件，在兼顾高数值孔径、大视场、无像差等优势的同时，为上述问题提供了一种经济高效的解决方案。
起初，LFOCM采用激光光源采集样片的衍射图样，然后通过相位恢复算法恢复物体振幅和相位信息，然而激光光源的高相干性会引入散斑噪声和串扰，极大影响成像质量，同时增加了设备体积和成本。因此，基于部分相干LED光源的LFOCM系统应运而生，不仅可以降低散斑噪声和串扰的影响，而且部分相干衍射极限优于相干极限，有望获得更高成像分辨率。
然而，在部分空间相干光源照明下，传感器记录的强度相当于光源内各个点光源照明下图像的非相干叠加。这种叠加效应会导致衍射图样模糊，丢失高频信息，最终导致分辨率降低。另一方面，在典型的 LFOCM 系统中，传感器像素尺寸有限，无法对物体信息完全采样，进而降低成像分辨率。因此，如何同时解决部分相干成像效应和像素合并效应以提高LFOCM分辨率仍然是当前面临的一大挑战。
导读
主要研究内容
因此，该研究团队构建了一套使用部分相干LED照明的小型化、高性价比 LFOCM 系统，命名为“像素超分辨无透镜定量相位显微镜（PSR-LFQPM）”。为了避免低相干光源的相干门限效应导致全息图中高频信息模糊，影响物体重建的分辨率与准确性，该方法创新性地将部分相干照明模型和像素合并模型融合到正向图像生成过程中，在相位反演过程中引入迭代反卷积步骤以实现更精确的全息图和物体相位重建。具体的，该方法结合部分相干照明下强度图的非相干叠加正向模型，在基于波长扫描的相位恢复算法框架中引入了根据 LED 光源分布计算出的空间相干传递函数（SCTF），通过反卷积求解欠采样的全息图估计值。然后，利用像素合并模型并施加强度约束和均匀光强约束直至迭代收敛，获得样品的像素超分辨相位信息。
PSR-LFQPM在19.53 mm2的传感器全视场内实现了780 nm横向分辨率（提升了1.41倍）的大视场、无标记、像素超分辨的定量相位成像。通过对体外培养的HeLa细胞超过十小时的持续成像，验证了该方法的高通量、无标记、动态QPI成像能力。其为生物医学和即时诊断（POCT）应用提供了一种紧凑、低成本和高通量的无透镜片上显微镜系统，有望在生物医学领域广泛应用。
技术突破与创新点
在PSR-LFQPM中，仅使用部分相干LED光源垂直照射样品，记录不同照明波长下的低分辨率衍射图样。首先，对获得的全息图进行上采样和反卷积处理，再进行位移校正并加权求和以获得初始估计值。然后，结合非相干叠加模型和像素合并效应，在迭代过程中引入预校准的SCTF，结合强度约束和均匀光强约束直至算法收敛，从而获得物体精确相位重建。该方法补偿了由于部分相干照明导致的高频信息混叠引起的图像模糊和像素欠采样导致的分辨率降低，实现了全视场范围内无标记的像素超分辨定量相位成像。
图1. PSR-LFQPM方法重构算法流程图。
图2使用 PSR-LFQPM与采用相干成像模型的传统方法对相位分辨率板和细胞封片的成像结果对比图。
此外，对体外培养的HeLa活细胞数据使用两种方法进行处理，如图3所示，PSR-LFQPM方法重建的超过十小时的活细胞相位的分辨率始终优于采用相干成像模型的传统方法，进一步验证了该方法在单细胞层面的像素超分辨成像能力，为研究细胞的结构特征及其与外部交互过程的提供重要依据。
图3. PSR-LFQPM与采用相干成像模型的传统方法对HeLa 细胞长时程成像对比结果。
高分辨率长时程活细胞成像
图4展示了PSR-LFQPM对体外培养的HeLa活细胞超过十小时的动态无损原位观测结果，同时提供了多种可视化成像模态，有望为细胞生物学和POCT医学应用提供一种高通量、小型化、便携且高效的影像学工具。
图4. HeLa活细胞长时程成像图。
结论与展望
PSR-LFQPM 首次在部分相干LED照明的LFOCM系统重建过程中综合考虑部分相干成像模型和像素合并模型，同时解决了相干门限效应和像素欠采样带来的分辨率降低问题，在传感器的全视场（19.53 mm2）上实现了775 nm横向分辨率的像素超分辨的定量相位成像，分辨率提高1.41倍。此外，通过对体外培养的HeLa细胞超过十小时的连续监测，验证了该方法的高分辨、大视场、长时程动态QPI能力。上述结果表明，PSR-LFQPM方法为生物医学和POCT应用提供了一种高通量、紧凑且经济高效的影像学工具。
尽管本研究已经取得一定进展，然而仍有一些关键问题亟待思考和解决。在使用部分相干照明的LFOCM中，然而如何同时解决时间和空间部分相干性对成像分辨率的影响仍然一个具有挑战性的课题。此外，对于高汇合度的活细胞或组织样本，不同样本衍射条纹的叠加会降低条纹对比度，导致分辨率下降。因此，该研究团队将进一步研究应用 PSR-LFQPM的潜力，以利用低时空相干照明实现对具有波长吸收依赖性的高汇合物体的高质量成像，进一步提升成像的分辨率，以扩展LFOCM的应用范围。
文章信息
Pixel-super-resolved lens-free quantitative phase microscopy with partially coherent illumination
Yang Chen， Xuejuan Wu， Linpeng Lu， Jiasong Sun， Runnan Zhang， Wenhui Lin， Yufan Chen， Maciej Trusiak， Peng Gao， Chao Zuo*
npj Nanophotonics
主要作者介绍
陈样，2021光学工程博士研究生，发表SCI期刊论文4篇，会议论文2。申请1项发明专利（学生排名第一位次）。多次参加国内外学术会议并做报告。
吴雪娟，2020年光学工程博士研究生，发表SCI期刊论文6篇（第一作者2篇），会议论文4篇。申请2项国家发明专利（学生排名分别为第一、第二位次）。多次参加国内外学术会议并做报告，曾获得COME2023学生报告竞赛优胜奖。
团队介绍
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