前沿进展 | 观察入微：超表面结构助力实时无标记显微术

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，来自加利福尼亚大学的研究团队研发出一种被称为傅里叶光学自旋分裂显微镜的新型定量相位成像系统，该系统利用超表面的调制作用，通过改变圆偏光的偏振状态将物像分离，并可通过超表面的平移及分析仪的旋转来灵活设置两个物象之间的偏置延迟。该研究还验证了该技术与偏振相机结合后，对单发定量相位梯度成像技术的兼容性。该工作以“Fourier Optical Spin Splitting Microscopy”为题发表在Physical Review Letters上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

1873年，德国著名物理学家Ernst Abbe提出光学系统衍射极限的概念，这个概念一方面强调显微成像的本质：显微成像就是多个光场的叠加效果；另一方面讨论了显微成像空间分辨率的极限。在衍射极限的概念被提出后，研究人员所做的工作，就是使光学显微系统的空间分辨率无限接近衍射极限。

图1 显微镜下的世界

（图源：https://www.nikonsmallworld.com）

空间分辨率的极限理论的提出，使显微系统进一步优化的方向被定格在图像对比度及时间分辨率等关键参数上。为了提高显微图像的对比度，研究人员往往会给观测样本打上荧光蛋白或其他有机染料，但这样做也无疑会破坏样本的自身结构。为了避免染料的污染，研究人员发明出无标记相显微技术，这种技术无需进行样本染色，一经报道便在各个学科中获得了广泛的应用需求，传统常见基于该技术的成像方法包括相位对比成像和差分干涉对比成像(DIC)两种。相位对比成像法需要依靠背景照明与物体散射光之间产生的干涉效应，产生依赖于相位的强度对比；而DIC法则利用一对复合双折射棱镜和交叉偏振器，将光束进行分离及重组，从而获得对比度较高的横向剪切干涉样本图像。

上述两种成像方法虽然能获得具有较高对比的图像，但遗憾的是，它们都无法定量描述微观图像细节。近年来，一种新型的定量相位成像方法(QPI)逐渐出现在人们的视野中，该方法为细胞及生物组织的成像提供了一条全新且高质量的技术路线。对于该项技术的优化也受到了研究人员的广泛关注，目前来看，以更加精简的方式获取光束相位信息成为了优化的主流方案。而超表面的出现，在为轻捷型光学系统设计带来便利的同时，也为QPI方法相位获取方式的进一步优化带来了机遇。

在本文所介绍的研究工作中，研究人员设计并实现了一种全新光学显微系统：傅里叶光学自旋分裂显微镜(FOSSM)，该显微系统利用圆偏振光的共光路干涉原理来定量地获取光束的相位信息，以揭示微观结构中一些难以得知的细节特征；它依靠超表面结构，对入射光的左旋(LCP)和右旋偏振(RCP)分量分别引入相位延迟，从而在成像平面上形成两个具有一定位移的像。通过测量从0~2π之间三种不同相位延迟的结果，并利用QPI方法对目标进行成像，以此证明FOSSM的QPI能力。最后，研究人员验证了FOSSM对于定量相位梯度成像(QPGI)技术的兼容能力，为下一代高速实时多功能显微技术奠定了较好的理论基础。

03 研究创新点

FOSSM采用了如图2(a)所示的结构，该结构从本质上而言，是一个加入了超表面的4f系统。作为典型的滤波系统，4f系统由一个物平面，一个像平面外加两个傅里叶透镜组成，它可利用光学傅里叶变换技术，光学相干技术等对物体所成物象进行二维的处理，最终实现图像的加减及微分等操作。为了给左旋及右旋的偏振光束引入相位延迟，在4f系统的焦平面附近引入了一个超表面结构，超表面被夹在一对交叉的线性偏振控制器之间，表现出类似于光栅的作用效果。超表面的形貌如图2(a)中的插图所示，具体的尺寸为6 mm×6 mm，经过特殊设计的超表面，在引入相位延迟的同时也对光束有着极好的透过性。图2 FOSSM的结构特性及成像表现具体而言，位于两个傅里叶透镜之间的超表面，若沿着如图2(a)中的蓝线所示，沿x轴或z轴横向偏移一段距离，那么LCP与RCP之间的偏置延迟会因此而改变。具体移动方式所导致的光学变化及最终成像效果分别如图2(c)~(e)以及(f)~(h)所示。其中(c)和(f)中的条纹表示有效的透射，红色曲线是超表面振幅透过率剖面沿x轴方向的横截面。QPGI技术兼容性的验证与上述实验步骤类似，在焦平面附近横向平移超表面，就能够获得一系列具有不同偏振延迟的图像，取三张具有不同横向偏移的图像，就能通过三步相移法计算出物体相对于x轴的相位梯度。通过调节超表面的位置，可以方便地调节两个像之间的偏置延迟，进而允许偏振相机进行单次拍摄，并QPGI进行成像（给定了图像相对于x轴和y轴的相位梯度，可通过二维积分来计算检索相位）。此外，为验证FOSSM偏置延迟连续可调的特性，研究人员将人胚肾细胞(HEK-293)固定，在横向平移的方式下利用超表面对其进行精确成像，成像结果如图3所示。其中，图3(a)显示了显微镜的有效透射，图3(b)~(h)分别与图3(a)中被标记的虚线对应。图3 HEK-293细胞在不同偏置延迟下的成像结果为进一步验证FOSSM对于QPGI技术的兼容性，研究人员设计了如图4(a)所示的显微系统，相较于FOSSM，这系统将分析仪与常规的CCD相机替换为偏振相机，该相机包含偏振方向分别为0°、45°、90°以及135°的偏振像素。图4 超表面助力单发QPGI技术在此套成像系统中，通过对单幅采样图像进行解交错及插值操作，可以得到四张相位延迟分别为0°、90°、180°和270°的图像，最后，利用四部相移法计算出单向相位梯度。图4(d)显示了对小鼠成纤维细胞系的成像结果，在成像过程中，研究人员利用CMOS相机同时捕捉了四个子帧，并对其进行重新排列以清晰分辨出图像间的不同偏置延迟，最终以较简易的方式获得了目标的相位梯度信息。

04 总结与展望

本文介绍了一套全新的FOSSM系统，该系统具有较高的分辨率与图像对比度，同时又因为不需要传统QPI技术中常见的外部参考光束，因此最小化了部分可能影响到图像成像质量的因素（类似于机械抖动、空气湍流以及温度波动等外部干扰）。该方法无需庞大的组件及精密的准直过程，布置便捷，且具有极强的拓展性，为超快实时定量相位成像提供了一种用户友好且经济有效的解决方案，在细胞成像及医疗影像等研究领域里拥有极其广泛的应用前景。论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.020801

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科学编辑|佚名编辑|金梦菲菲

END

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