亮点 | 十亿像素级、高通量的无透镜偏振编码叠层成像技术

Liming Yang, Ruihai Wang, Qianhao Zhao, Pengming Song, Shaowei Jiang, Tianbo Wang, Xiaopeng Shao, Chengfei Guo, Rishikesh Pandey, Guoan Zheng. Lensless polarimetric coded ptychography for high-resolution, high-throughput gigapixel birefringence imaging on a chip[J]. Photonics Research, 2023, 11(12): 2242

偏振是指光波中振动方向的定向性。自然界中的光，如太阳光是非偏振的，意味着在任意给定时刻，光波的电场矢量振动方向具有随机性。通过特定的起偏方法，非偏振光可以转化为偏振光，使得光波中电场矢量沿着某一特定方向振动。偏振成像作为一种新型光学成像技术，被广泛用于生物医学、目标识别、偏振遥感和三维成像等领域。在生物医学领域，相比于传统光学成像，偏振成像具有以下两方面独特优势：1）可用于对无标记，各向异性样品的定量测量。通过分析入射光波与样品作用后偏振态的变化，无需标记即可获取有关样品成分、结构、空间取向等信息。例如，结缔组织中的胶原纤维可改变入射光波偏振态，通过对偏振态变化的测量，可获取有关胶原纤维方向、密度等信息。2）可滤除背景噪声，增强图像对比度。通过选择性滤除具有某些偏振态的杂散光，可有效增强图像对比度。

偏振光显微镜是用于测量样品各向异性信息的常用仪器，通过在明场显微镜中添加起偏器和检偏器升级而成。偏振光显微镜虽能满足一定的应用需求，但基于光学透镜的限制，其面临成像分辨率与视场相互制约的固有矛盾，成像通量受限。为提升成像分辨率及成像通量，通常需要将偏振光学器件与全切片扫描仪相集成，然而这种集成的实现较为困难，一方面集成化的全切片扫描仪昂贵且笨重，封装的系统难以满足定制化的需求；另一方面，高数值孔径（NA）的物镜所能获得的景深狭小，通常在微米量级，对快速自动对焦提出了较大挑战。

为解决上述挑战，西安电子科技大学邵晓鹏教授团队联合美国康涅狄格大学郑国安教授团队提出了一种无透镜偏振编码叠层成像技术（Polarimetric coded ptychography, pol-CP）。这种技术可实现对各向异性样品的高分辨率、高通量片上双折射成像。相关研究成果发表于Photonics Research2023年第12期。

研究团队所提出的方法是传统叠层成像技术的一次创新。叠层成像最初是为解决电子晶体学中的相位问题而被提出。该技术的核心步骤包括将样品放置于扫描平台上，使用空间受限的探测光束（Probe）进行照射，随后将样品平移到不同的横向位置来采集样品的远场衍射图样。通过分析这些衍射图样，能够重建样品的复波前，从而获得更丰富的成像信息。

与传统的叠层成像方法不同，这项创新的无透镜偏振编码叠层成像技术采用全视场的照明方式。如图1（a）和（b）所示，这一系统利用经圆偏振片调制的激光对样品进行全视场照明，使得照明光波能够不受物理尺寸限制地覆盖整个样品，极大地提高了成像灵活性和效率。为了获取样品的高分辨率各向异性信息，研究团队设计了一种集成的偏振编码图像传感器，放置于样品下方，用于采集样品的近场衍射图样。通过与自制的位移平台相连接，图像传感器能够进行横向平移和旋转，以便采集不同偏振角度的衍射图样。采集到的图样经过近场叠层相位恢复算法和琼斯矢量分析处理后，能够实现对样品的高精度双折射成像。

集成偏振编码传感器制作流程如图1（c）和（d）所示。首先，在传感器保护层玻璃表面涂抹一层均匀、致密的血细胞。这层血细胞可将传感器原先无法采集的样品大角度衍射光波重新定向至较小的角度以被采集，充当于一高分辨率“计算镜头”；其次，将线偏振薄膜（厚度80 µm）通过PDMS与血细胞层固定，以获取样品的偏振信息。使用PDMS可确保线偏振薄膜与血细胞层的紧密贴合，防止二者因存在空气间隙使得采集的原始图案出现干涉条纹，影响重建图像质量。

该研究团队采用了马铃薯淀粉颗粒、玉米茎及各种生物样品进行实验研究，全面验证了所提出方法的有效性。这项技术在无需对样本进行标记的情况下，能够进行精确的定量成像，同时可显著提高图像对比度，同时具备大视野和高通量成像的能力。实验结果证明，这种新技术不仅能够追踪受疟疾感染的红细胞，还可以识别尿液中的草酸钙晶体，并准确定位未染色甲状腺切片中的卵泡。

郑国安教授表示：“这项研究为偏振成像在生物医学领域的应用开辟了新的可能性。得益于其高分辨率、处理大批量样本的能力、低成本以及便携性，这种成像技术在疾病诊断、样本筛选以及无需标记的成像研究中展现出广阔前景。”邵晓鹏教授表示：“相比于传统光学成像技术，该研究在减小系统体积的同时，提升了信息获取维度与成像通量，对计算成像技术的发展起到了推进作用。”