中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

在许多光学应用中，如光学计量、自适应光学、生物医学成像等，都会遇到并需要解决相位问题。相位问题出现的原因在于光学探测器只能记录光束的振幅，而无法直接记录光束的相位信息导致光束相位信息的丢失。然而，透明物体，例如活细胞，除了相移之外，对透过光束的振幅没有影响。

因此，传统的凭强度成像的技术无法获得透明物体的结构。而相位成像是获取透明物体结构信息的唯一途径。定量相位成像技术是一种无需标记的、功能强大的检测方法，它可以提供准确的物体相位信息，在生物医学领域得到了广泛应用。到目前为止，定量相位成像的主流技术是数字全息显微镜和相位恢复。数字全息显微镜是一种干涉测量技术，精度很高，但对环境极为敏感。相位恢复，仅依靠强度测量，通过迭代优化恢复输入相位。相位恢复的缺点主要在于收敛速度慢甚至停滞，并且动态范围有限。这些缺点极大地限制了相位恢复的应用。本文提出了一种双波长照明下，基于微透镜阵列波前分割和多平面相位恢复的定量相位成像技术，用于实现大动态范围相位物体的定量相位成像。

本文的具体工作如下：
1.本文首先回顾了相位成像的发展历程，并着重介绍了三类热门的非干涉式的定量相位成像技术：波前传感、光强传输方程、相位迭代算法。分别分析了各自的工作原理，阐述每种方法的优势与限制。
2.本文提出了一种基于微透镜阵列波前分割和多平面相位恢复的定量相位成像技术。本文所提出的方法对透过相位物体的光场施加了三种约束。第一种是使用微透镜阵列将入射波前分割成很多的子波前。第二种是记录微透镜阵列焦面附近沿光轴方向在不同衍射平面上的多个强度分布。由于不同衍射距离下的强度图提供了丰富的信息，相位恢复算法通常会快速收敛。第三种是采用不同波长的照明。对相位物体的展开相位成像，需要执行三个步骤：首先，记录不同照明波长下微透镜阵列焦平面附近的多个衍射强度分布；其次，分别使用不同波长照明下的多个强度分布图，采用多平面相位恢复技术提取不同波长下相位物体的相位；最后，使用提取的不同波长下的相位计算合成波长下的相位。
3.通过大量数值实验，我们评估了所提出方法的有效性。首先，选择具有四种不同类型相位的相位物体（微透镜阵列的相位、复杂的随机组合波前、峰值函数和细胞切片）作为要待测物体，在640nm和685nm的照明波长下进行相位成像，以检验所提出的算法的相位成像精度和可行性。其次，对具有不同峰谷(PV)值的波前进行相位恢复，以验证所提出方法的大动态范围。

然后，将所提出的方法与经典相位恢复算法的收敛性进行了比较。最后，对所提出的方法进行了抗噪性测试。经过数值模拟，该相位恢复技术表现出了结构简单、动态范围大、适用范围广、高精度、快速收敛和抗噪性强等显著优点。因此，这种定量相位成像技术是一种潜力巨大的相位测量方法。