基于sCMOS相機(jī)單次曝光并行四步相移的定量相位成像研究

以sCMOS相機(jī)為同步采樣核心，在單次曝光中并行獲取四通道相移干涉信息，構(gòu)建時間統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集機(jī)制，實現(xiàn)高速、高靈敏度的定量相位成像。

1.實驗背景

定量相位成像（Quantitative Phase Imaging,QPI）能夠在無標(biāo)記條件下重建細(xì)胞與組織的光學(xué)厚度、折射率及干質(zhì)量分布，是研究活體細(xì)胞動態(tài)行為的關(guān)鍵技術(shù)路徑。然而傳統(tǒng)空間光干涉顯微（SLIM）系統(tǒng)依賴多幀相移采集，時間分辨率通常受限于串行調(diào)制與逐幀曝光過程，難以滿足毫秒尺度生物過程的連續(xù)觀測需求。

上述瓶頸本質(zhì)上源自成像系統(tǒng)缺乏能夠在單幀內(nèi)完成多通道同步采樣的檢測器件。針對此瓶頸，深圳大學(xué)科研團(tuán)隊構(gòu)建并行四步相移架構(gòu)的SE-SLIM系統(tǒng)，通過引入千眼狼（Revealer）sCMOS相機(jī)作為核心采集單元，使四路相移信息在同一時間基準(zhǔn)下完成記錄，從數(shù)據(jù)源層面重構(gòu)定量相位成像的時間結(jié)構(gòu)。

2.實驗設(shè)備

實驗系統(tǒng)由明場顯微鏡與定量相位成像模塊構(gòu)成，其中關(guān)鍵檢測單元為千眼狼（Revealer）Gloria 4.2 sCMOS相機(jī)，核心參數(shù)為：2048×2048像素分辨率，6.5 μm像元尺寸，全畫幅下幀率135 fps，采用BSI 科學(xué)級圖像傳感器，具備低讀出噪聲和高量子效率95%特性，為弱光干涉條紋的精確記錄提供硬件基礎(chǔ)。

系統(tǒng)光路部分采用雙級聯(lián)非偏振分束器與直角反射棱鏡結(jié)構(gòu)，將入射光均勻分為四束等強(qiáng)光，并通過空間光調(diào)制器（SLM）分別加載0°、90°、180°與270°相位調(diào)制。四束光在像面形成空間分離的四窗口干涉圖像，并由sCMOS相機(jī)在單次曝光中同步記錄。

在該系統(tǒng)中，sCMOS相機(jī)不僅承擔(dān)成像記錄功能，更作為四通道相移干涉信息的同步采樣核心，直接決定系統(tǒng)時間分辨率、相位噪聲水平及定量測量精度。

3.實驗方法

研究采用并行四步相移與單次曝光相結(jié)合的成像方案，SLM對四路光束施加離散相位調(diào)制，sCMOS相機(jī)在單幀曝光內(nèi)同步捕獲四幅相移強(qiáng)度圖像，經(jīng)窗口分割與配準(zhǔn)后，通過反正切函數(shù)完成相位反演。

該實驗方法成功的前提在于四幅相移圖像在同一時間點獲取，依賴于sCMOS相機(jī)的大面陣并行讀出能力。

實驗分別對DMSO刺激下的紅細(xì)胞和HeLa細(xì)胞，由sCMOS相機(jī)完成高速時序圖像采集，記錄細(xì)胞形態(tài)演變與干質(zhì)量動態(tài)變化過程，并基于sCMOS原始序列數(shù)據(jù)開展定量分析。

4. 實驗數(shù)據(jù)解析（基于sCMOS相機(jī)圖像采集結(jié)果分析）

千眼狼（Revealer）Gloria 4.2 sCMOS相機(jī)在系統(tǒng)標(biāo)定、相位重建及動態(tài)活細(xì)胞成像中提供直接觀測證據(jù)。

4.1 系統(tǒng)采集機(jī)制

傳統(tǒng)SLIM系統(tǒng)需要四次獨立的相機(jī)曝光才能獲取一組完整的四步相移數(shù)據(jù)，Gloria 4.2 sCMOS相機(jī)單次觸發(fā)即可完成四通道同步采集，較傳統(tǒng)SLIM系統(tǒng)時間分辨率提升4倍，實現(xiàn)時間維度上的統(tǒng)一采樣。圖1為傳統(tǒng)SLIM與SE-SLIM數(shù)據(jù)獲取方式對比。

圖1 sCMOS相機(jī)單次曝光四通道同步采集機(jī)制，對比傳統(tǒng)多幀采集流程，體現(xiàn)時間統(tǒng)一采樣能力

sCMOS相機(jī)在此承擔(dān)“時間統(tǒng)一采樣器”的角色，單幀多通道采集能力是實現(xiàn)單次曝光相位恢復(fù)的必要條件。

4.2 系統(tǒng)標(biāo)定與相位靈敏度

圖2為系統(tǒng)分辨率與相位靈敏度標(biāo)定結(jié)果。得益于sCMOS相機(jī)高分辨率與低讀出噪聲，系統(tǒng)實現(xiàn)＜500 nm相位分辨率，空間相位靈敏度達(dá)1.84 nm，時間相位靈敏度達(dá)0.82 nm；sCMOS連續(xù)256 fps采集的時序相位波動統(tǒng)計顯示，隨機(jī)像素相位值分布高度集中，無明顯漂移與噪聲突變。

圖2基于sCMOS高速連續(xù)采集的相位噪聲統(tǒng)計結(jié)果，展示時間相位穩(wěn)定性與納米級靈敏度來源

測量結(jié)果表明sCMOS相機(jī)可提供長時間高速穩(wěn)定采集能力，低讀出噪聲與高量子效率直接體現(xiàn)在納米級相位靈敏度上，為定量相位測量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)顆粒定量成像一致性驗證

圖3為10 μm聚苯乙烯微球sCMOS采集與相位重建結(jié)果。sCMOS相機(jī)清晰捕捉微球干涉信號，無信號丟失與畸變，重建后微球平均直徑為10.48 μm，測量誤差＜4%；平均相位峰值與理論值偏差亦＜4%。

圖3 sCMOS相機(jī)采集的微球干涉信號及相位重建一致性統(tǒng)計，驗證其在定量測量中的線性響應(yīng)與穩(wěn)定性

統(tǒng)計結(jié)果表明該sCMOS相機(jī)在弱干涉信號采集、高精度定量測量中具備高可靠性，可滿足定量相位成像要求。

4.4 活細(xì)胞動態(tài)觀測

圖4為紅細(xì)胞與HeLa細(xì)胞動態(tài)sCMOS成像序列，sCMOS相機(jī)以135 fps完成6.4 s連續(xù)無間斷采集，精準(zhǔn)捕捉紅細(xì)胞滲透膨脹、凹陷扁平化，以及HeLa細(xì)胞快速收縮、膜結(jié)構(gòu)破損與囊泡形成等毫秒級動態(tài)過程。

圖4 sCMOS相機(jī)135 fps連續(xù)采集的細(xì)胞動態(tài)序列及干質(zhì)量演化曲線，體現(xiàn)其在高速生物過程觀測中的時間連續(xù)性

基于sCMOS高幀率時序數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊成功定量分析細(xì)胞中心區(qū)域干質(zhì)量動態(tài)演變，實現(xiàn)活細(xì)胞無標(biāo)記、實時、定量監(jiān)測，體現(xiàn)sCMOS相機(jī)在快速生物動態(tài)事件捕獲中具有相對優(yōu)勢。

5. 實驗結(jié)論

I.本研究構(gòu)建的基于并行四步相移的SE-SLIM定量相位成像系統(tǒng)，以sCMOS相機(jī)為核心數(shù)據(jù)采集節(jié)點，實現(xiàn)單次曝光條件下的四通道相移信息同步獲取。

II.千眼狼（Revealer） Gloria 4.2 sCMOS相機(jī)的高幀率、低噪聲、大面陣在并行四步相移定量相位成像系統(tǒng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用：

高幀率（135 fps） 使得單次曝光同時采集四幅相移圖成為可能，將時間分辨率提升至傳統(tǒng)SLIM的4倍，并實現(xiàn)對DMSO誘導(dǎo)下紅細(xì)胞和HeLa細(xì)胞毫秒級形態(tài)變化的完整記錄。同時低噪聲特性支撐了納米級相位靈敏度，大面陣（2048×2048）特性則保障了多窗口分割后的有效空間分辨率。

III.本研究表明，在并行四步相移定量相位成像架構(gòu)中，sCMOS相機(jī)不再是可替換組件，而是決定系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)單次曝光相位恢復(fù)的關(guān)鍵器件。該研究可為高速、無標(biāo)記活細(xì)胞定量觀測提供一種設(shè)備級實現(xiàn)路徑。