封面解读
封面展示了激光干涉定量相位显微成像技术（iQPM）的概念图。iQPM通过捕捉激光干涉图并结合相位恢复算法，精确提取复合光场的相位延迟信息，从而实现对结构的精准测量。随着近年来高灵敏度iQPM技术的发展，科研人员已经实现了对小至原子尺度的材料特性进行精确表征。图中展示了高灵敏度iQPM在单原子层材料表征中的应用。展望未来，iQPM灵敏度的进一步提升有望促进科学家们对微观世界的探索和发现，揭示更小尺度下材料的功能特性和动态行为。
撰稿人：周楠森
论文题目：高灵敏度干涉定量相位显微前沿进展与应用(封面文章·特邀)
作者：周楠森1，吴沐蕾1，聂宇洁2，程加雨1,3，周仁杰1
完成单位：1.香港中文大学 生物医学工程系；2.深圳市倍捷锐生物医学科技有限公司；3.南开大学 物理科学学院
导读
想象一下，一台显微镜，不仅能帮助我们看到细胞内部的微观结构，还能精确测量原子尺度的细节。这听起来像是科幻，但如今的光学显微技术正在逐渐让这些成为现实。
研究背景
技术亮点
iQPM系统构造和影响灵敏度的噪声来源
iQPM结合了宽场光学显微技术和激光干涉技术，下图展示了由三种典型的干涉仪组成的iQPM系统，包括基于马赫-曾德尔干涉仪的透射式系统 (分为移相干涉仪和离轴干涉仪) 与基于林尼克干涉仪的反射式系统。围绕高灵敏度成像的主题，文章从相位时间灵敏度和空间灵敏度的定义出发，详细分析了在相位测量过程中影响灵敏度的各种噪声来源。这些噪声包括探测噪声(如光子散粒噪声，暗噪声、读出噪声)、机械振动噪声、散斑噪声，以及空气扰动，光源不稳定性产生的噪声等。值得注意的是，在假设无环境干扰和光源稳定的理想条件下，系统噪声存在光子散粒噪声的固有限制，因此文章还回顾了受限于光子散粒噪声的时间相位灵敏度极限理论。
图1 iQPM 原理与系统示意图
相位灵敏度提升策略
在噪声源分析的基础上，文章推导了时空相位灵敏度理论，并提供了提升iQPM灵敏度的关键步骤：首先，通过降低环境扰动（如背景噪声）对干涉测量的影响来提高整体系统稳定性；其次，提升照明光强并缩短曝光时间，以使得相机的读出噪声和暗噪声影响降到最低，从而使光子散粒噪声成为主导噪声源；最后，通过优化照明模块调制光源相干性，以减少散斑噪声的影响。
此外，文章回顾并总结了近年来在干涉光路设计、探测和照明等方面的突破性工作和最新进展，这些技术显著提升了相位灵敏度，特别是在环境噪声抑制、探测噪声抑制和散斑噪声抑制方面的创新工作。通过这些技术改进，iQPM的时间相位灵敏度已经突破到2皮米（pm）的水平。下图总结了相位灵敏度提升策略与灵敏度提升发展历程。
图2 iQPM相位灵敏度提升策略
图3 iQPM相位灵敏度提升发展历程
高灵敏度iQPM的应用
相位灵敏度的突破使得iQPM在诸多前沿领域展现了应用潜力。文章梳理了高灵敏度iQPM在血细胞分析、神经成像、原子材料厚度计量和晶圆缺陷检测等前沿应用领域的进展。例如在血细胞分析中，iQPM可以实时精准测量红细胞膜位移；在材料科学中，它能够以高速和高精度测量二维材料的厚度分布；而在半导体制造中，高灵敏度iQPM能够实现9 nm节点的IDA晶圆缺陷检测。这些技术进展不仅为iQPM带来了更广阔的应用前景，也推动了相关领域的技术革新与发展。
图4 红细胞的纳米级膜位移实时测量
图5 二维材料厚度分布测量（左：单层MoS2; 右：多层WSe2）
结论与展望
作者介绍
周仁杰，博士，香港中文大学生物医学工程学系副教授，激光计量与生物医学实验室主任；对定量相位显微（QPM）与光学衍射层析成像（ODT）进行了系统而深入的研究；获2019年度“裘槎基金会前瞻科研大奖”及2024年度“国家自然科学基金优秀青年科学基金”等科研奖励。发表SCI论文60余篇，包括通讯或第一作者（含共同）发表于Nature Photonics、Light: Science & Applications、Advanced Photonics等期刊。现担任IEEE PTL、JOSA A与IJEM期刊编委，中国激光杂志社香港分社副秘书长。
周楠森，香港中文大学生物医学工程学系博士研究生，自2020年开始研究高灵敏度无标记干涉显微成像技术，共发表期刊与会议论文14篇，申请/获批发明专利3项。
文章信息
周楠森, 吴沐蕾, 聂宇洁, 程加雨, 周仁杰. 高灵敏度干涉定量相位显微前沿进展与应用(封面文章·特邀)[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(9): 20240358. DOI: 10.3788/IRLA20240358
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20240358（阅读原文）
“计算光学成像技术与应用II”专栏
文章收录于“计算光学成像技术与应用II”专栏，专栏特别邀请了国内多个相关领域专家团队撰写最新研究综述9篇和原创性研究论文3篇。主要涉及计算光学成像技术与应用领域的三个重要主题：定量相位成像与无标记成像、三维成像与光场成像、散射成像与智能探测。论文内容涵盖了当前计算光学成像领域的前沿热点研究方向：干涉全息、波前传感、相位恢复、结构光三维成像、光场成像、光谱成像、单像素成像（鬼成像）、穿透散射介质成像等。这些高水平论文集中反映计算光学成像技术领域的前沿成果、发展趋势、现存问题及未来挑战，希望能为广大读者或相关从业人员更深入地开展该领域的研究提供有益参考。
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