Light | 基于全息术的定量相位成像：趋势和展望

撰稿 | 课题组供稿

导读

近半世纪来，光学成像技术经历了巨大的革新，为人类的发展做出了巨大贡献，尤其是在生命科学领域，为生物样品的检测、疾病诊断等提供了重要的科学依据。

1948年，Dennis Gabor提出了全息术，为光场的定量分析提供了开创性的解决方案。近年来，人们开始关注光学成像的多模态、定量化、多维度等性能提升，全息术已发展成一个物理光学、材料科学、计算机视觉和生物光子学的交叉领域。

 

近日，来自清华大学的研究团队以“Quantitative phase imaging based on holography: trends and new perspectives”为题在《Light: Science & Applications》发表综述论文，对基于全息术的定量相位成像与计算方法进行了总结和展望。

文章系统总结了基于全息术的定量相位成像的原理与应用，对其重建方式相移干涉、离轴干涉、相位恢复和单边带调制技术进行了全面综述，展示了光场定量重建在无标记生物成像和材料表征上的独特优势，指出了全息成像所面临的挑战，并展望了其发展方向。

技术背景

光学成像技术不断革新，以越来越高的成像分辨率与成像质量引导人们向无尽的微观世界发起多维度的探索。从最开始简单的单透镜装置逐步演变成极为精密的观察与计量科学技术。

尽管相比于最初，光学成像技术有了巨大的进展，但其成像机制还是“所见即所得”的成像模式。随着人工智能、大数据驱使下的“智能制造”时代的发展，人们逐步开始关注光学成像的多模态、定量化、多维度等性能提升。

光波前在数学上用2D复振幅函数描述，振幅的平方即光的强度，相位则是光场复振幅的幅角，表示空间光程差。光波前的振荡频率接近10¹⁵ Hz，远高于人眼的响应（~30Hz）和探测器的响应（< 10⁸ Hz），无法直接探测相位（图1）。

相位在光学计量学、自适应光学、生物医学成像等领域的作用尤为突出，可对样品进行高衬度、定量化的表征。光场相位与样品的厚度和折射率对比度呈线性关系。

图1：光学成像系统基本示意图。

1948年，匈牙利科学家Dennis Gabor提出全息术，而后1967 年，Goodman进一步提出了数字全息术。随着激光器、光电探测器和计算机的发明与应用，全息术使光学成像模式产生了重大变革，Dennis Gabor也因发明全息术而获得1971年诺贝尔物理学奖。

伴随着光学测量技术和计算机技术的同步发展，全息术与光学成像结合繁衍出了多个分支（图2）。

光学衍射层析：结合计算层析，数字全息术可从2D拓展至3D成像模式。得益于相干光源、探测器件和计算能力的发展，光学衍射层析成像逐步应用至生命科学领域。

全息复用：借鉴通信系统的载波理论，在不同空间方位引入干涉，将多个物光编码至图像2D空间频域的不同方位中，实现全息图的多维度光信息复用。

相位恢复：由衍射强度恢复光场的相位分布，可认为是数学上的逆问题，将成像的光学“负担”转化到计算上，催生了片上无透镜显微技术的诞生与发展。

深度学习：随着计算机处理能力的发展，通过神经网络构建数据集，可代替传统光学成像实现诸如数字聚焦、相位解包裹、细胞虚拟染色等功能。

图2：全息术的发展路径图。

技术方案

数字全息术的核心在于从2D全息图中重构原始光场复振幅分布，由相机所测量的强度值重构对应的复数值，是一个典型的非适定逆问题。从光学实验的角度，其求解方法主要分为两大部分：干涉法和非干涉法（图3、图4）。

干涉法—相移全息

引入参考光干涉，将相位信息转换成干涉条纹，记录多幅包含不同参考光相移量的全息图，利用相移方法实现光场复振幅的解析重构。

干涉法—离轴全息

引入倾斜参考光干涉，将相位信息转换成干涉条纹，使物光的复振幅分量、零级谱和共轭谱在空间频域中相互分离，以实现光场复振幅的解析重构。

非干涉法—相位恢复

利用系统采集方式的多样性（多波长、多距离、多角度等）记录多幅衍射图，通过衍射理论进行交替迭代投影，引入先验知识检索光场复振幅分布。

非干涉法—单边带调制

采用纯衍射光路，调制物光的空间频谱，使其构成单边带光场，利用单边带的解析性重构复振幅，实现非干涉复振幅光场的解析重建。

图3：全息光学成像技术路线。

图4：全息光学成像的重建方法。

维度拓展

在生物医学和生命科学研究中，对活细胞和组织样品的3D可视化具有重要意义。光学衍射层析将数字全息显微与计算层析技术相结合，探测3D物体在不同角度下的2D投影光场，基于傅里叶衍射理论的正向物理模型，将系统相干传递函数拓展至3D空间，进而重建物体的空间折射率分布（图5）。

图5：全息成像从2D定量相位向3D光学衍射层析拓展。

系统架构

为了光学上实现从2D全息图到原始光场复振幅的映射，针对不同的技术路线（图3），所对应采用的光学系统基本架构如图6所示，完成2D高维光场的物理探测与重建，结合维度拓展方法，进一步实现从2D光场至3D物空间的映射与重建。

图6：全息光学成像的光学系统基本架构。

典型应用

数字全息术可以定量描述光散射分布，在生物医疗、材料加工、各向异性表征和模态融合等方面有着广泛的应用（图7）。

生物医疗：数字全息术对光场相位和折射率的表征，可以实现单细胞的形态学参数定量测量，如细胞体积，细胞干重和形态结构等，提供生物组织结构信息。

材料加工：通过光场复振幅表征，可用于材料蚀刻过程的质量监测和实时成型监控，如变形、偏移、残留应力等，以及确保器件加工的精度和稳定性。

各向异性：通过引入偏振调控，可对材料进行3D各向异性特征重构，包括空间偏振态、材料介电张量等，助力材料的非线性光学特性和行为的研究。

模态融合：借助荧光标记的特异性，可实现多模态数据融合，更准确地定位和分析样品内部结构和成分，实现全息成像与标记成像的优势互补。

图7：全息应用于生物医疗、材料加工、各向异性表征和模态融合。

未来展望

在过去的二十年里，全息成像的各项性能有了显著的进步，尽管全息成像在生命科学和材料分析中展示出了巨大的潜力，但仍有几个重要的科学问题值得进一步研究（图8）：

面向高分辨：结合全息术、显微术和光散射理论，可对光场进行3D甚至4D（即3D空间+时间分辨）无损成像，结合光的非线性作用，如量子物理、矢量衍射理论等，可能为突破无标记标本的衍射极限提供新思路。

面向高通量成像：在细胞成像中，协同提升成像的时间和空间通量是一直追求的目标，一方面依赖于相机与计算机的数据传输率；另一方面，则尽可能多地从有限的像素中重建样品的高维信息，全方位提升成像通量。

面向快速病理诊断：全息光学为细胞调控、细胞诊断等领域提供了新的思路，随着深度学习的发展，荧光模态的特异性与光散射的无标记性有望相辅相成，辅助分析亚细胞结构的生理状态。

面向全光学性质表征：光学各向异性的表征在细胞生物学、材料科学等领域有着独特的应用。结合矢量光学和矢量衍射理论，有助于复杂疾病的检测和诊断，与微纳米功能器件的表征和制备。

图8：展望全息光学未来方向。

本论文整理了全息成像的部分技术代码，网址如下：

https://github.com/THUHoloLab/Holography_QPI_code

本论文的通讯作者为清华大学曹良才教授，第一作者为清华大学黄郑重博士。

论文信息

Huang, Z., Cao, L. Quantitative phase imaging based on holography: trends and new perspectives. Light Sci Appl 13, 145 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01453-x