【儀表網 研發快訊】近日，超快光科學與技術全國重點實驗室姚保利研究員團隊在定量相位成像(Quantitative Phase Imaging, QPI)領域取得了重要進展，相關研究成果發表于光學領域國際著名期刊Optica。論文第一作者為中國科學院西安光機所2022級博士研究生薛雨閣，通訊作者為閔俊偉和姚保利研究員，西安光機所為第一完成單位及通訊單位。
QPI技術作為一項無標記、非侵入、全場光學成像技術，能夠精確獲取樣品的光學相位信息及其關聯的物理特性，在生物醫學、材料科學、流體物理、工業檢測等領域應用廣泛。然而，現有的QPI技術各有其局限性：以微分相襯、強度傳輸方程等為代表的非干涉方法，雖光路結構簡單，但多幀采集限制了時間分辨率，且相位重建依賴弱相位物體或傍軸近似；以數字全息、衍射相位顯微等為代表的干涉方法，相位測量精度高，但易受激光散斑噪聲影響，對環境穩定性要求嚴苛，系統集成度低；基于四波橫向剪切干涉的波前傳感技術能實現單次曝光快速相位成像，但四束衍射光間的串擾限制了其空間帶寬利用率，影響了成像分辨率。
對此，研究團隊提出了一種正交偏振復用剪切干涉(orthogonal polarization-multiplexed shearing interferometry, OPSI)技術。該技術通過特殊設計的偏振調制衍射光學元件(P-DOE)，將入射的物光衍射為四束具有特定傳播方向與偏振狀態的衍射光，其中沿同一對角線方向的兩束衍射光具有相同的偏振態，而兩組對角線之間的偏振態則彼此正交(如圖1所示)。
圖1. Q-camera用于顯微成像的實物裝置圖以及工作流程示意圖
當衍射光傳播到傳感器表面時，僅偏振態相同的衍射光之間發生干涉，最終在相機靶面上形成一幅僅包含兩組正交剪切干涉的網格狀圖，再經由特定的相位重建算法從該圖中計算出樣品的定量相位分布。通過精巧的偏振設計，僅允許偏振方向相同的兩束光發生干涉，最終在相機靶面上形成一幅純凈、無串擾的剪切干涉圖，再經由專用算法重建出高精度相位分布。
基于上述OPSI方法構建集成化定量相位相機Q-camera，將空間帶寬利用率由39%提升至54%，顯著增強了系統的成像細節分辨能力。相機支持單次曝光實時成像，實驗以30fps的幀頻展示了水中輪蟲的實時運動行為(如圖2所示)。此外，該技術兼容激光與低相干寬帶光源，并具有寬波段適用能力，使用寬帶照明光源(如鹵素燈等)照明可以顯著提升圖像質量。
圖2. 水中輪蟲的運動軌跡與姿態的實時拍攝和相位再現
Q-Camera結構緊湊、空間分辨率高、工作波段寬，可直接與普通光學成像系統對接，極大提升了其在光學材料檢測、生物醫學研究、微流控分析以及工業精密測量等領域的應用潛力，也推動了QPI技術從實驗室走向產業應用。
本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院青年創新促進會等項目的支持。
姚保利研究員團隊長期專注于高精度定量相位成像領域研究，積累了豐富的技術經驗并取得了諸多研究成果。研究團隊現已與國內外多家科研院所及高校開展了深入的合作，先后為流場可視化、工業檢測等應用研發了多種定量相位成像裝置，其中高精度定量相位顯微觀測裝置已應用于我國載人空間站科學實驗專柜。團隊在Nat. Commun.、PNAS、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等期刊上發表300多篇論文，授權多項國家發明專利，曾獲陜西省科學技術一等獎、二等獎和陜西省重點科技創新團隊等獎勵和榮譽。
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