主编推荐 | 全光学的相位目标边缘提取，助力高分辨生物医学成像

Chinese Optics Letters 2024年第1期Editors’ Pick:

Yiming Li, Ran Li, Quan Chen, Haitao Luan, Haijun Lu, Hui Yang, Min Gu, Qiming Zhang. Differential interference contrast phase edging net: an all-optical learning system for edge detection of phase objects[J]. Chinese Optics Letters, 2024, 22(1): 0111021

该研究针对无色透明的相位目标边缘提取，提出了基于差分干涉对比原理的相位成像方法。在生物医学领域，生物组织、细胞等相物的强度变化通常较弱。为了更清晰、直接地反映相位目标的形态边界和结构特征，开发针对相位目标的边缘检测技术具有重要意义。

光模拟计算以光速进行大规模数据处理，具有高速并行、大数据吞吐量和低能耗的特点，成为取代数字信号处理的有力工具。对于纯相位目标的成像，基于傅里叶光学自旋分裂和定量相位梯度的相差显微镜只能成像一维边缘，无法避免各向异性和伪影问题。为了完成各向同性二维边缘检测，需要设计亚波长结构的超表面，并将其放置在4f系统的傅立叶平面上，给成像系统的集成化和小型化造成困难。

差分干涉对比（Differential Interference Contrast, DIC）技术作为一种常用的相位成像方法，可以对观测相位物体产生浮雕效果，即使没有经过染色也可以对其进行观测。然而，分束棱镜只能设置在图像的一个方向上，浮雕效果只能增强一维边缘。

为解决上述问题，来自上海理工大学的研究人员设计了基于差分干涉对比原理的全光学边缘提取系统，全光信号处理器能够与差分干涉对比显微镜直接集成，针对无色透明的相位目标进行分辨率可调的边缘提取。由顾敏院士、张启明教授和杨晖教授作为通讯作者，李一鸣博士为第一作者，相关成果发表在Chinese Optics Letters 2024年第22卷第1期，并被遴选为Editors’ Pick。

图1 基于差分干涉对比（DIC）原理的全光学边缘提取系统示意图

在该工作中，研究人员使用532 nm绿色激光作为光源，通过双沃拉斯顿棱镜（DWP）将相位目标划分为入射光和参考光，经过四分之一波片和偏振片后发生微分干涉。衍射神经网络作为全光学信号处理器对干涉光场进行处理，得到相位目标的边缘图像，如图1所示。在检测过程中，可以通过调整DWPs的气隙来改变边缘的尺度。

采用无源衍射层作为光处理器件，保证了边缘检测的高速运行和传输效率。整个系统没有使用镜头和成像系统，成功地降低了设备的复杂性。与人工神经网络相比，提出的边缘检测系统不需要预先采集强度分布，而是直接调制复杂的光场，实现对相位目标的实时在线边缘检测。未来，随着高性能衍射神经网络模型和非线性激活研究的有力推进，有望形成对相位目标的端到端实时边缘检测，为高分辨率的生物医学成像带来助力。