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新型偏振調(diào)制衍射元件實(shí)現(xiàn)高分辨率定量相位成像
2025年12月09日 14:10:27
來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點(diǎn)擊量：4320
中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)提出一種新型正交偏振復(fù)用剪切干涉（OPSI）技術(shù)，通過(guò)偏振調(diào)制衍射元件將物光分為四束正交偏振的衍射光，僅同偏振光干涉，有效消除了傳統(tǒng)方法中的串?dāng)_。該技術(shù)將空間帶寬利用率提升至54%，支持單次曝光、實(shí)時(shí)、高分辨率定量相位成像。
近日，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利研究員團(tuán)隊(duì)在定量相位成像(Quantitative Phase Imaging, QPI)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，提出了一種基于正交偏振復(fù)用剪切干涉(orthogonal polarization-multiplexed shearing interferometry, OPSI)的高分辨率定量相位成像新方法。相關(guān)研究成果已發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際期刊《Optica》。
定量相位成像是一種先進(jìn)的光學(xué)成像技術(shù)，能夠無(wú)標(biāo)記、非侵入、全場(chǎng)、定量地獲取樣品的光學(xué)相位信息及其關(guān)聯(lián)物理特性，在生物醫(yī)學(xué)研究、溫度場(chǎng)測(cè)量、微流控表征、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有主流QPI技術(shù)均存在一定局限性：以微分相襯、強(qiáng)度傳輸方程為代表的非干涉方法光路簡(jiǎn)單，但通常需要多幀圖像進(jìn)行相位重建，時(shí)間分辨率較低，且依賴于弱相位物體或傍軸近似，影響測(cè)量精度；以數(shù)字全息、相移干涉為代表的干涉方法精度高、分辨率好，但易受激光散斑噪聲影響，對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性要求高，系統(tǒng)集成復(fù)雜；基于四波橫向剪切干涉(QLSI)的波前傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單次曝光快速成像，但其四束衍射光間的串?dāng)_干涉會(huì)導(dǎo)致傅里葉空間邊帶裁剪，損失空間帶寬，從而限制成像分辨率。
為解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種正交偏振復(fù)用剪切干涉（OPSI）技術(shù)。該方法的核心是使用一塊特殊設(shè)計(jì)的偏振調(diào)制衍射光學(xué)元件（P-DOE），將其置于普通數(shù)碼相機(jī)傳感器前數(shù)毫米處。該元件將入射的物光衍射為四束具有不同傳播方向與偏振狀態(tài)的衍射光：沿同一對(duì)角線方向的兩束光偏振態(tài)相同，而兩組對(duì)角線方向的偏振態(tài)彼此正交。
當(dāng)這些衍射光到達(dá)相機(jī)傳感器時(shí)，僅偏振態(tài)相同的光束之間會(huì)發(fā)生干涉，從而避免了傳統(tǒng)QLSI中四束光之間的串?dāng)_干涉。最終，傳感器記錄下一幅僅包含兩組正交剪切干涉條紋的網(wǎng)格狀干涉圖。通過(guò)基于傅里葉變換頻譜的算法，可從這張單次曝光獲得的干涉圖中定量重建出樣品引入的光程差(即相位)分布。
研究結(jié)果表明，該偏振復(fù)用方案將系統(tǒng)的空間帶寬利用率從傳統(tǒng)QLSI的約39%提升至約54%，相當(dāng)于提升了1.54倍，從而顯著增強(qiáng)了重建圖像的細(xì)節(jié)分辨能力?；贠PSI方法構(gòu)建的集成化定量相位相機(jī)(Q-camera)結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高，支持單次曝光實(shí)時(shí)成像(實(shí)驗(yàn)演示幀率達(dá)30fps)。此外，該系統(tǒng)兼容激光與低相干寬帶光源(如鹵素?zé)?，具備寬波段工作能力，使用寬帶照明可有效提升圖像質(zhì)量。
這種相機(jī)式設(shè)計(jì)使其易于與普通光學(xué)系統(tǒng)(如顯微鏡)對(duì)接，無(wú)需復(fù)雜調(diào)校，為實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率定量相位成像提供了便捷方案，有望促進(jìn)QPI技術(shù)在光學(xué)材料檢測(cè)、生物活細(xì)胞觀測(cè)、微流控分析及工業(yè)精密測(cè)量等領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。
素材來(lái)源：Optica
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