四波梯度光干涉显微用于无标记厚样品成像

在生物医学成像研究中，对具有强散射样品的光学成像是一个极具挑战性的问题。定量相位成像（QPI）技术是一种强有力的无标记成像方法，已经在生物医学等领域有了广泛的应用。将定量相位成像技术用于厚样品成像，基于部分相干光的相位梯度方法具有很大的前景。两种传统的相位梯度方法为差分相衬成像（DPC）和差分干涉成像（DIC）。

基于DPC的方法通过改变照明光的角度产生不同的强度图像，通过两幅图像相减和反卷积算法可以恢复出一个方向的相位信息。为了恢复出二维相位图，需要改变照明方向。由传统DIC显微镜和相位型空间光调制器组成的梯度光干涉显微（GLIM）能够定量测量相位信息，但只能恢复一个剪切方向的相位信息，而在二维相位重建上不具有鲁棒性。谐波耦合梯度光干涉显微（HD-GLIM）能够重建出二维相位信息，但是，该方法需要拍摄多帧图像才能恢复相位，存在耗时的问题。另外，以上方法成像深度受限，如果样品较大或透明度较低时就无法成像。

本文提出了一种四波梯度光干涉显微（qGLIM）方法，该方法可以同时恢复两个正交方向上的相位梯度，同时可以实现厚样品的定量相位成像。

实验装置如图1所示。为了恢复出二维相位信息，一个振幅型空间光调制器被放置在4F系统的傅里叶面上，通过在SLM上加载二维衍射光栅，入射光在x方向和y方向被衍射为四束（如图2所示），它们之间相互干渉产生干涉条纹，通过对干涉图的进一步处理即可得到样品的相位信息。

图1.实验原理图。(a) 光学装置示意图；(b) SLM上显示的2D衍射光栅。

图2.入射光通过衍射光栅后被分为四束。

图3.对5um聚苯乙烯微球成像。(a) 通过四副相移强度图重建出相位梯度；(b) 重建出的相位图与实际相位图的比较。

图4.时空噪声分布。(a) 空间噪声分布；(b) 时空噪声分布；(c) 时间域内的相位波动；(d) 时空噪声直方图及其标准差。

图5.(a-b)用于相位恢复的干涉图；(c) 细胞相位图；(d-e) x方向和y方形的相位梯度。

图6.(a)食道染色切片组织的相位梯度；(b) 重建相位和相关细节。

图7.蜜蜂口器在三维视图中从0µm到139.5µm的相位。

文章提出了一种四波梯度光干涉显微方法，该系统结合了以往工作的思想并进行了拓展：（1）从传统的DIC光学元件结合相位调制到基于SLM的纯振幅调制；（2）从剪切方向旋转到无旋转；（3）打破了厚样品成像的限制。该方法还可与荧光显微镜相结合来观察特定的物质。另外，该方法还具有很大的提升空间，如利用DMD代替SLM进一步提升成像速度；开发对活体样品单次曝光的方法；与超表面相结合等。

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