研究背景
近年来，基于Kramers-Kronig关系的方法因其非干涉非迭代的优势在定量相位成像方面显示出了很大的应用潜能。为了减少曝光次数，提出了基于彩色复用、偏振复用以及对称照明的方法，可以有效应用于实时定量相位测量。为了实现全角各向同性分辨率增强和相位恢复，Shen等人使用空间光调制器（SLM）有效控制其频域一半的频谱限制，以满足Kramers-Kronig关系的解析条件。然后利用Kramers-Kronig关系进行全角分辨率增强的相位重建。然而现有的技术仍无法实现单次曝光下全角度的定量相位恢复。
基于上述研究背景，本研究中，研究团队提出了一种互补照明来实现两倍各向同性分辨率增强的单次曝光的定量相位恢复技术。该技术利用环形照明光源，嵌入至商用尼康倒置显微镜中。通过设计照明模式，使每个照明模式下对应的频谱分布几乎占据整个样品频谱分布的一半，通过Kramers-Kronig关系重建样品的复振幅分布。此外，在实验中，利用波长复用将每种照明模式分配到不同的颜色通道（R/G/B），对Hela细胞和人体甲状腺组织切片进行相位重构，我们可以在单次曝光下实现全角度的超分辨定量相位检索。
导读
主要研究内容
图 1 该方法的流程图。(a)模拟的复振幅物体的Ground Truth。(b)三种照明模式及其照明下的强度和强度频谱分布。(c)重建的子频谱分布,插图为设计的滤波孔径以获得同一比例系数下的频谱分布。(d) 拼接获得完整的频谱分布。(e)重建的复振幅物体的振幅和相位
技术突破与创新点
为了定量验证所提出方法可以在较少的曝光条件下实现全角分辨率的提高和相位重建。对一定角度旋转后的相位型1951分辨率测试目标进行了数值验证。采用了4次曝光和8次曝光下的重建的相位分布作为参考，对比结果如图2所示。图2(a)为相位测试目标的Ground Truth，图2（b-d）分别显示了四个正交方向、8次全角照明和三种不同照明模式下恢复的相位图及其对应的频谱分布。对比图2（b1-d1）中虚线方块中的图像，可以看出所提出方法获得的重建结果可以与8次全角度照明获得的重建结果相吻合，相对与正交方向上的四次照明，补全了斜对角方向的缺失的高频部分。图2(e1-e2)曲线分布也验证了该方法可以在较少的曝光时间下获得全角分辨率的增强和定量相位恢复。
在实验中，我们对Hela细胞和未染色的人体甲状腺组织切片进行了成像，实验中采用8次曝光的重建结果作为参考值，给出了单个波长三次曝光的重建结果以及波长复用照明下单次曝光获得的重建结果，并计算参考值与这两种照明模式下的结果之间的特征相似度（FSIM）指数，以此来验证所提出方法的有效性。实验结果如图3和图4所示。
图 3 HELA细胞的实验结果。(a)8次照明下的相位重建结果(b)1次曝光下的彩色原始图像。(c1)8次曝光下重建的相位及其对应的傅里叶谱(c2)。(d1)3次曝光下重建的相位及其对应的傅里叶谱(d2)。(e1)单次曝光下重建的相位及其对应的傅里叶谱(e2)
图 4 人体甲状腺组织切片的实验结果。(a1)8次曝光下的振幅。(a2)彩色原始图像。(b)和(c)在三种方法下重建的振幅和相位
结论与展望
文章信息
Full-angle single-shot quantitative phase imaging based on Kramers–Kronig relations
XIANG CHEN, SIHONG YAO, JUNAN SONG, TIANWEI DING, GUOQING LI, JIAWEI SONG, SHOUPING NIE, JUN MA, AND CAOJIN YUAN
Optics Letters
DOI: https://doi.org/10.1364/OL.524825
主要作者介绍
陈翔，博士研究生，2021年本科毕业于南京师范大学物理科学与技术学院，2021年开始硕博连读在南京师范大学物理科学与技术学院攻读博士学位，主要从事超分辨成像，定量相位成像等方向的研究。
姚斯宏，硕士研究生，2021年开始在南京师范大学物理科学与技术学院攻读硕士学位，主要从事结构照明显微成像，荧光成像等方向的研究。
袁操今，教授，博士生导师，主要研究方向显微超分辨成像、光场调控技术和光学信息安全技术。2008年南开大学获光学工程博士学位；2009-2011洪堡学者，在德国斯图加特大学应用光学研究所博士后研究；2013年至今南京师范大学物理科学与技术学院教授、博士生导师，先后主持包括国家自然科学基金项目在内的多项科研项目。在Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express等国际知名刊物发表SCI论文60余篇，完成英文著作一章节，获授权国家发明专利6项。先后入选南京师范大学“百人计划”、 南京师范大学“青蓝工程”人才计划。现任全息与光信息处理专委会委员、南京光通信学会理事。
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