江苏大学物理与电子工程学院，江苏 镇江 212013
果蔬品质检测在其生长、储存各环节都具有重要意义，同时也是栽培、保存方案制订的依据。针对果蔬种植过程中对样本全域生理信息定量实时获取的需求以及现有检测技术的不足，本文从宏观生长的微观物质基础和相位成像机理出发，以番茄果实糖度检测为例，提出了一种果蔬生理信息的相位检测方法，基于细胞相位图像提取两个相位参量并联合宏观糖度值构建数据立方体对番茄糖度分布进行了表征。该方法可根据需要对任意局部区域进行采样检测，无须对细胞样本进行预处理，只需要采集任意角度下的一幅相位图即可，具有数据量小、计算简便的优势，整个分析过程只需要0.5 s左右。与现有成熟检测方法的对照实验表明，细胞相位参量与糖度值表现出了明显的正相关性，且对局部糖度差异敏感。所提方法与高光谱成像检测结果具有良好的一致性。该相位检测表征方法操作简便，运算速度快，可为番茄糖度乃至其他果蔬的多种生理特性快速检测提供参考。
生物光学 番茄果实 糖度 品质检测 相位成像 相位参量
江苏大学物理与电子工程学院，江苏 镇江 212013
细胞内液‐液相分离现象与细胞内的多种生物过程有关，分析研究相分离的现象及机理可为调控细胞生理过程和药物研发提供参考和策略。相位成像技术因在无色透明物体的非接触、免标记定量化观测方面具有巨大优势而被用于液‐液相分离的研究中；但是，在该技术中，样本厚度与其折射率耦合一起，形态分布需经相应算法反演获得，其分析效率较大程度上取决于数据采集量、计算处理时间和精度等。为满足生命科学研究领域对实时获取相分离凝聚物形态信息的需求，本文提出了一种仅需两幅相位图的三维形态快速反演方法，相应设计了一种由单个图像传感器实现双路光信息采集的干涉相位成像系统。提出的形态重构算法对数据采集要求宽泛，通过布置控制点，运用数学变换解算其沿两个非正交方向投影的平面像素坐标与其三维空间坐标的映射关系，由此计算反演得到像素点对应的三维坐标从而实现凝聚物形态的分离重建。
生物光学 干涉成像 液‐液相分离 边缘提取 投影映射 三维空间坐标
江苏大学物理与电子工程学院，江苏 镇江 212013
细胞是有机体结构与生命活动的基本单位，其形态结构往往与功能状态相匹配，因而细胞的形态是生命科学的重要研究内容，对临床医学诊断也有着重要的意义。定量相位成像技术作为一种强大的无损、无标记成像工具，可为定量评估细胞提供重要的生物、物理特性信息。提供的相位图虽携带了样品内部结构信息，但样品厚度与折射率耦合在相位数据中，需要借助算法对相位数据进行解耦，才能重建样品的三维形态。提出了基于两路正交的双波长相位信息重建多介质相位体三维形态的方法。以有核生物细胞为例，利用该方法对样本的两幅同方向双波长相位图按亚结构分布进行区域划分，对应解析不同区域内参考点的相位值，提取出胞质折射率及其沿入射光方向的厚度分布，据此分离胞质和胞核各自引起的相位；进一步联合正交方向的相位图，获取胞核中参考点在对应方向上的物理厚度，并相继计算出胞核的平均折射率和胞核整体厚度分布，从而利用两个正交方向的三幅相位图重建出样品的三维形态。
生物医学 相位成像 形态重建 双波长 正交成像 中国激光
2022, 49(20): 2007206
1 江苏大学物理与电子工程学院，江苏 镇江 212013
2 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
针对如何在相位分布图中选取合适边缘采样点的问题，基于相位成像理论和实验分析了不同处理方案的优缺点并提出了采样策略。结合相位成像机理，采用基于梯度的几类经典边缘检测算子分析了采样特征点位置不确定性的来源及其对检测结果的影响。选取形态结构复杂程度不同的实际样品开展实验研究，对比分析不同采样点位置选取对样本尺寸计算结果的影响，对多种误差产生的原因进行了分析，给出了其理论上的关联和解释。综合多组实验数据对比分析的结果，总结出了适合不同复杂程度样品的形态结构特征提取方案，其处理效率能够满足快速实时检测的需要。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617030
1 江苏大学物理与电子工程学院，江苏 镇江 212013
2 南方科技大学生物医学工程系，广东 深圳 518055
针对定量相位成像技术中样本形态信息提取繁琐不利于自动化检测分析的问题，探索了基于小规模数据集对轮廓相似的相位物体进行精准识别的可行性及其训练策略。分别建立了包括聚苯乙烯微球、红细胞等4类样本的相位分布和干涉条纹数据集。构建了一个卷积神经网络（CNN）模型成功实现对相位图的识别，进而对不同样品相位值进行变换以增大识别难度，并通过改进网络模型在验证集上成功识别出所有样品类型。为简化检测流程，对4类样本对应的干涉条纹进行了识别，用残差模块改善CNN模型的网络退化问题实现了准确分类。针对条纹可见度、载波频率复杂多变的实际情况，分别考查了其对识别准确率的影响。通过优化训练集提高了模型的识别效率，表明了机器学习技术在相位信息识别方面的潜力。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617026
1 江苏大学物理与电子工程学院, 江苏 镇江 212013
2 深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518061
为满足临床检验等领域对快速获取形态信息的需求,提出了一种仅需2幅相位图的三维形态快速重建算法。该算法从2幅正交相位图中分别获取样品在相应入射光正投影面上的结构边界,通过建立、解算这2组正交的二维数据间的关联得到样品亚结构轮廓的三维坐标和平均折射率,进而给出各亚结构物理厚度的定量分布,实现样品三维结构重建。通过仿真和实验对具有不同结构特征的样品进行了三维形貌重建,实验结果验证了所提算法的有效性和普适性。
测量 相位测量 亚结构轮廓 平均折射率 三维形貌 光学学报
2021, 41(23): 2312006
1 江苏大学理学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
提出了一种可将光散射信息整合到干涉相位成像系统的设计方法。建立了均质细胞、单核细胞、双核细胞模型,通过分析样品的相位分布信息快速定量提取样品的形态特征,确定了样品的亚结构特征。通过红细胞和中性粒细胞实验,指出了结合散射信息的必要性和优势。研究结果验证了所提系统的可行性,并提出了改进方向。该系统结构简单、便于操作,为细胞形态结构特征的快速无损检测提供了参考。
生物光学 形态 相位成像系统 散射 生物细胞 激光与光电子学进展
2019, 56(9): 091701
1 江苏大学理学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
神经元是生物神经系统结构与功能的基本单位,它通过放电活动对信息进行编码、传递和整合,在生命活动中起到重要作用;基于神经元放电活动的动力学本质和相位成像技术,探讨对活细胞及其内部亚结构进行无损、免标记成像的方法,根据神经元模型的相位信息对其静态形态特征和放电行为的动态表征进行研究;运用光学成像仿真技术建立神经元相位模型并获得其相位分布信息,从相位函数的物理意义出发分析模型的亚结构特征;考虑放电活动中样品胞内离子浓度变化对其折射率及相位信息的动态影响,初步探讨用相位信息直观表征该动态过程的方法;对于该较复杂的非均质相位体模型,引入异质对比补偿思想,免相位解耦地获得样品亚结构局部的静态形态信息及其动态放电活动的相位表征结果,并通过仿真分析验证该方法的有效性。结果表明,神经元放电特征及其形态的光相位表征方法具有无损、免标记、可定量的优势。
生物光学 光相位 异质对比补偿法 神经元 折射率
1 江苏大学机械工程学院， 江苏 镇江 212013
2 江苏大学理学院， 江苏 镇江 212013
基于干涉成像原理，提出了一种结构简单的轴向可调式共光路干涉成像系统的设计。该设计充分利用光路可逆性和分光棱镜的反射、折射特性，先通过棱镜将入射光分为两束平行光，一束照射到样品上被反射载物台反射作为物光，另一束则直接被反射作为参考光，然后利用上述棱镜使反射回的物光和参考光合束发生干涉。通过调整棱镜的分光层与光轴之间的夹角可分别实现不同类型的干涉。分别以傅里叶变换和三步相移范数法为例对实验获得的干涉条纹进行相位恢复，并通过对结果的分析评估了系统的性能，对设计用于生物细胞相位成像的可行性进行了论证。所设计的系统结构简单、操作方便、系统误差小，可为均质细胞的无损免标记形态检测提供一种简单易行的方法。
生物光学 相位成像 干涉系统 共光路 生物细胞
1 江苏大学理学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
针对提高反射相位延迟测量速度和精度的应用需求，研发了一种以起偏器-棱镜-检偏器(PPA)为光路结构的测量系统，基于最小二乘法，给出了无需知道初始检偏角可对所采集的光强分布点进行二元线性拟合的方法，进而提出了对不同起偏角情况下所采集的两组光强分布点进行多次拟合、逼近求交得到反射相位延迟量的方法。该方法在反射相位延迟的测量过程中，无需精确设置光学元件的方位角，可利用软件系统完成光强分布点的采集及其计算机数值计算处理，所有的测量操作可控制在15 s 内完成，实验结果表明：反射相位延迟测量结果的误差为0.005 rad，重复性为0.0016 rad。
测量 反射相位延迟 最小二乘法 光强分布 拟合 逼近 精度 中国激光
2015, 42(10): 1008002
