CN112444501B - 用于材料计量和生物成像的便携式定量相位显微镜 - Google Patents

用于材料计量和生物成像的便携式定量相位显微镜 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种定量相位显微镜(QPM)系统和方法，用于在透射模式和反射模式下的样品成像和计量。该QPM系统包括沿透射模式路径传播的第一照明光束和沿反射模式路径传播的第二照明光束，显微镜物镜以及共路径干涉仪。该共路径干涉仪包括衍射光栅、傅立叶透镜、针孔和2f系统透镜，该2f系统透镜准直参考光束和成像光束使得准直的参考光束和成像光束相互干涉，从而在最终像平面处形成干涉图。

Description

用于材料计量和生物成像的便携式定量相位显微镜
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年8月30日提交的美国临时申请序列号62/894,370以及2020年6月30日递交的美国申请序列号16/917,216的权益，以上两件申请的所有公开内容(包括所有附图、表格和附图)以全文引用的方式并入本文。
背景技术
定量相位显微镜(quantitative phase microscopy，QPM)由于其无创且无标记性质已成为材料计量和生物医学成像的重要工具，例如量化细胞和材料内的形态和动力学、癌症诊断以及分析和检查材料结构。然而，由于其相对较高的复杂性和成本，QPM尚未成为一种研究实验室和工业中的标准成像仪器。为了更广泛地采用，最近已经开发了几种紧凑且低成本的QPM方法，可用于在极端环境、资源有限的临床环境和工业工厂中进行成像。在大多数情况下，那些QPM系统仍然需要外部显微镜主体，并且只能在一种成像模式下工作，即，大多数情况下是在透射模式下对透明样品进行成像。另一方面，低成本的全息技术已允许在手机平台上实现极高的便携性，但需要复杂且耗时的计算，同时通常无法获得定量相位值。
发明内容
在本领域中仍然需要用于定量相位显微镜(QPM)的改进的设计和技术。
本发明的实施例涉及在透射和反射模式下用于样品成像和计量的定量相位显微镜。
根据本发明的实施例，一种用于定量相位成像的系统可以包括：照明源，所述照明源用于产生照明光束；光纤耦合器，所述光纤耦合器具有耦合到所述照明源以接收所述照明光束的输入端，并被配置为提供第一照明光束以从第一输出端输出以沿着透射模式路径传播和第二照明光束以从第二输出端输出以沿着反射模式路径传播；第一线性偏振器，所述第一线性偏振器被设置在所述透射模式路径中，以接收来自所述光纤耦合器的所述第一照明光束，并且被配置为在照明样品之前使所述第一照明光束线性偏振；第二线性偏振器，所述第二线性偏振器被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述光纤耦合器的所述第二照明光束，并且被配置为使所述第二照明光束线性偏振；半波片，所述半波片被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述第二线性偏振器的所述第二照明光束，并且被配置为沿水平轴线将所述第二照明光束的偏振旋转到约0°；偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述半波片的所述第二照明光束，并且被配置为将入射椭圆偏振光分成正交偏振光束，使得水平偏振的第二照明光束完全指向物镜侧；四分之一波片，所述四分之一波片被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述PBS的所述第二照明光束，并且被配置为将光束偏振状态沿竖直轴线旋转大约90°，使得所述第二照明光束在形成图像之前仅沿着所述PBS的右手侧端口行进；显微镜物镜，所述显微镜物镜被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述PBS的所述第二照明光束，并且配置为将所述第二照明光束透射到所述样品，并且接收由所述样品反射的所述第二照明光束形成的第三照明光束，以及透射穿过所述样品用于成像的第一照明光束；镜筒透镜，所述镜筒透镜被设置成接收来自所述PBS的所述第三照明光束；和共路径干涉仪系统，所述共路径干涉仪系统被设置成接收来自所述镜筒透镜的所述第三照明光束，所述共路径干涉仪系统包括：衍射光栅，所述衍射光栅被设置在中间像平面中，并且被配置为生成多个级次的光束，其中，第0衍射级光束为成像光束，并且第1衍射级光束为参考光束；傅立叶透镜，所述傅立叶透镜被设置成接收所述第0衍射级光束和所述第1衍射级光束，并且被配置为将所述第0衍射级光束和所述第1衍射级光束向下聚焦预定的焦距；针孔，所述针孔被设置在傅立叶平面中以接收第一级光束，被配置为用于所述第一级光束的低通滤波器；和2f系统透镜，所述2f系统透镜被设置成接收来自所述傅立叶透镜的所述成像光束和来自所述针孔的所述参考光束，准直所述参考光束和所述成像光束，使得准直的参考光束和成像光束彼此干涉以在最终像平面处形成干涉图。
在另一实施例中，一种用于获取样品的定量相位图像的方法包括：通过照明源产生照明光束；通过光纤耦合器将所述照明光束分成沿透射模式路径传播的第一照明光束和沿反射模式路径传播的第二照明光束；通过设置在所述透射模式路径中的第一线性偏振器使所述第一照明光束线性偏振；通过设置在所述反射模式路径中的第二线性偏振器使所述第二照明光束线性偏振；通过设置在所述反射模式路径中以从所述第二线性偏振器接收所述第二照明光束的半波片，使所述第二照明光束的偏振沿水平轴线旋转到大约0°；通过设置在所述反射模式路径中的偏振分束器(PBS)，将第二照明光束分成偏振光束；通过四分之一波片将光束偏振状态沿竖直轴线旋转大约90°，使得所述第二照明光束在形成图像之前仅沿着所述PBS的右手侧端口行进，其中所述四分之一波片被设置在所述反射模式路径中以接收来自所述PBS的所述第二照明光束，并且被配置为：通过显微镜物镜将所述第二照明光束透射到所述样品，并且接收由所述样品反射的所述第二照明光束和透射穿过所述样品用于成像的所述第一照明光束形成的第三照明光束，其中,所述显微镜物镜被设置在所述反射模式路径中以接收来自所述PBS的所述第二照明光束；通过镜筒透镜接收来自所述PBS的所述第三照明光束；通过设置在中间像平面中的衍射光栅产生多个级次的光束来执行共路径干涉测量，其中，第0衍射级光束被配置为成像光束，并且第1衍射级光束被配置为参考光束；通过傅立叶透镜将所述第0衍射级光束和所述第1衍射级光束向下聚焦预定的焦距；通过设置在傅立叶平面中的针孔，对所述第1级光束进行低通滤波；并且通过2f系统透镜对所述参考光束和所述成像光束进行准直，使得准直的参考光束和成像光束相互干涉，以在最终像平面处形成干涉图，所述2f系统透镜被设置成接收来自所述傅立叶透镜的所述成像光束和来自所述针孔的所述参考光束。
附图说明
图1A是根据本发明的实施例的便携式QPM系统的示意图。
图1B是根据本发明的实施例的便携式QPM系统的原型的照片。
图1C是根据本发明的实施例的图像处理计算机示意图，该便携式计算机运行具有用于便携式QPM系统的相位恢复和图像处理的图形用户界面(GUI)的软件。
图1D是根据本发明的实施例的便携式QPM系统的内部组件的示意图。
图2A是根据本发明实施例的便携式QPM系统的采集图像的所有帧的所有像素的光程长度差(optical path-length difference，OPD)值的直方图。
图2B是根据本发明的实施例的便携式QPM系统的采集图像的所有帧平均OPD值的时间波动。
图2C是根据本发明的实施例的便携式QPM系统的OPD标准偏差值的直方图。
图2D是根据本发明的实施例的在便携式QPM系统的采集图像所有帧上平均的OPD图。
图3A是根据本发明的实施例的具有L500nm、S500nm和L500nm、S1000nm线的美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)参考材料(Reference Material，RM)8820样品的一部分的SEM图像。
图3B是根据本发明的实施例的由便携式QPM系统测量的相位图，插图示出了由白色虚线指示的线轮廓。
图4A是根据本发明的实施例的晶体管样品中的金电极的示意图。
图4B是根据本发明的实施例的由便携式QPM系统获得的晶体管样品的高度图，插图示出了沿图4B的白色虚线的晶体管样品的结构的线轮廓。
图4C是根据本发明的实施例的晶体管样品的原子力显微镜(AFM)图像(软件：NanoScope Analysis 1.5)，插图示出了沿图4C中的白色虚线的晶体管样品的结构的线轮廓。
图4D是根据本发明的实施例的在图4B中选择的金(Au)结构区域和底部区域的高度直方图。
图4E是根据本发明的实施例的在图4C中选择的金(Au)结构区域和底部区域的高度直方图。
图5A是根据本发明的实施例的通过便携式QPM系统获得的直径为约5μm的微球的高度图。
图5B是根据本发明的实施例的沿通过便携式QPM系统获得的图5A的微球中的一个的黄色箭头指示的方向的线轮廓。
图6A是根据本发明的实施例的通过便携式QPM系统获得的NIST参考材料(RM)8820样品的选定区域的高度图。
图6B是根据本发明的实施例的通过便携式QPM系统获得的图6A的芯片结构的放大三维(3D)高度图。
图6C是根据本发明的实施例的所选区域的SEM图像。
图6D是根据本发明的实施例的通过便携式QPM系统获得的图6B中的形貌图的直方图。
图7A是根据本发明的实施例的红细胞(RBC)的原始干涉图图像和RBC的放大部分图像以显示条纹对比度和弯曲。
图7B是根据本发明的实施例的图7A恢复出的RBC的高度图。
图7C是根据本发明的实施例的在图7B中选择的RBC的膜高度波动的视频。
图8A是根据本发明的实施例的通过便携式QPM系统获得的微流体装置和通道的几何形状的图像。
图8B是根据本发明的实施例的示出微流体通道的成像视场的代表性相位图像。
图8C是根据本发明的实施例的在微流体通道中捕获的肌肉细胞的细胞干质量的直方图。
图8D示出根据本发明的实施例的在微流体通道中捕获的多个选择的成肌细胞的相位图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及在透射和反射模式下工作的便携式QPM系统和方法。由光程长度差(OPD)值量化的QPM系统的时间和空间灵敏度分别高达0.65nm和1.04nm。当在本文中结合数字值使用术语“约”时，应理解该值可以在该值的90％至该值的110％的范围内，即该值可以为标称值的+/-10％。例如，“约1kg”是指0.90kg至1.1。
系统设计
参照图1A，用于定量地对诸如活细胞或制造的微/纳米结构的样品进行相位成像的便携式QPM系统100包括用于产生照明光束的照明源105，包括耦合至照明源105的输入端111的光纤耦合器115，以及设置在照明源105与光纤耦合器115之间的耦合透镜110。当从照明源105接收到照明光束时，光纤耦合器115可以被配置为提供从第一输出端116输出以沿着透射模式路径传播的第一照明光束以及从第二输出端117输出以沿着反射模式路径传播的第二照明光束。
在透射模式路径中，便携式QPM系统100进一步包括：第一线性偏振器125，其被设置成接收从光纤耦合器115发出的第一照明光束；第一准直器120，其被设置在光纤耦合器115的第一输出端与第一线性偏振器125之间；以及第一镜130，其被设置在第一线性偏振器125与样品135之间。第一准直器120被配置为使来自光纤耦合器的第一照明光束准直，并且第一线性偏振器125被配置为在照明样品135之前使第一照明光束线性偏振。此外，第一镜130可以被配置为将从第一线性偏振器125接收的第一照明光束反射到样品135。在样品之后，透射模式和反射模式共享相同的光路。
在反射模式路径中，便携式QPM系统100进一步包括：第二线性偏振器145，其被设置成接收从光纤耦合器115透射的第二照明光束；以及第二准直器140，其被设置在光纤耦合器115的第二输出端117与第二线性偏振器145之间。第二准直器140被配置为在第二照明光束进入第二线性偏振器145之前准直从光纤耦合器115透射的第二照明光束。第二线性偏振器145可以被配置为使接收到的第二照明光束线性偏振。
再次参考图1A，在反射模式路径中，便携式QPM系统100还包括：半波片150，其被设置成接收从第二线性偏振器145透射的第二照明光束；偏振分束器(PBS)160，其被设置成接收来自半波片150的第二照明光束，以及收集器透镜，其被设置在半波片150与PBS 160之间。半波片150被配置为在进入偏振分束器(PBS)160之前使第二照明光束的偏振沿水平轴线旋转到0°。
在反射模式路径中，便携式QPM系统100还包括：四分之一波片165，其被设置成从PBS 160接收第二照明光束；以及显微镜物镜170，其被设置成接收来自四分之一波片165的第二照明光束。四分之一波片165被配置为沿竖直轴线旋转光束偏振状态90°，使得第二照明光束在形成图像之前仅沿着PBS160的右手侧端口行进。此外，显微镜物镜170被配置为将第二照明光束透射到样品并且接收由样品反射的第二照明光束形成的第三照明光束。相同的显微镜物镜还被配置为透射沿着透射模式路径传播并透射穿过样品用于成像的第一照明光束。当使用透射模式测量透明样品时，反射模式的照明源将被切断或阻挡；同样，当使用反射模式测量反射样品时，透射模式的照明源将被切断或阻挡。对于半透明样品，可以同时使用透射模式和反射模式。
在一个实施例中，显微镜物镜170可以是蔡司透镜(40x/0.55LD A-Plan)。
在照射光束从样品反射回来之后，创建成像场，该成像场的相位中携带样品的结构信息。
注意，收集器透镜155和显微镜物镜170一起形成4f系统，以确保在视场中均匀且准直的光束照射样品。此外，半波片150、四分之一波片165和第二线性偏振器145一起形成隔离器，以确保第二照明光束单向传播。
如图1A中所示，便携式QPM系统100还包括：镜筒透镜180，其被设置成从PBS 160接收第三照明光束；共路径干涉仪系统188，其被设置成从镜筒透镜180接收第三照明光束；第二镜185，其被设置在镜筒透镜180与共路径干涉仪系统188之间，以将来自镜筒透镜180的第三照明光束反射到共路径干涉仪系统188。
基于衍射相位显微镜(DPM)设计的共路径干涉仪系统188可以包括：设置中间像平面中的衍射光栅190、傅立叶透镜195、针孔196，以及在针孔196之后，由2f系统透镜197形成的2f系统。
此外，位于中间像平面处的衍射光栅190被配置为接收来自镜185的第三照明光束并产生多个级次的光束，其中第0衍射级光是成像光束，且第1衍射级光束是参考光束。具有预定焦距的傅里叶透镜195被设置为从衍射光栅190接收第0衍射级光束和第1衍射级光束两者，并且被配置为将它们向下聚焦。此外，针孔196被设置在傅立叶平面中以接收第一级光束，并且被配置为用于第一级光束的低通滤波器。2f系统透镜197被设置为分别接收来自傅立叶透镜195的成像光束和来自针孔196的参考光束。2f系统透镜197被配置为准直参考光束和成像光束，使得准直的参考光束和成像光束彼此干涉以在最终像平面处形成干涉图。
便携式QPM系统100还可以包括设置在最终像平面中的图像捕获装置，例如从PointGrey公司购买的USB照相机，以捕获从中恢复出样品的相位的干涉图。
注意，衍射光栅190可以被配置为使得成像光束行进通过衍射光栅190和2f系统透镜197的中心，以避免成像系统中的色散。此外，当切换操作模式时，样品保持器不一定需要改变。处于透射或反射模式的照明源被阻挡以切换操作。例如，当以反射模式操作时，透射模式中的照明源被阻挡。
在一个实施例中，照明源105可以是提供波长为633nm且最大输出功率为4.6mW的激光源。光纤耦合器115可以是单模1x2光纤耦合器，例如从Thorlabs公司购买的光纤耦合器。对于反射模式光路，在进行线性偏振之前，首先将激光束扩展为直径约为10mm。
在一个实施例中，衍射光栅190为有110线每毫米(lpm)的光栅。针孔196(诸如从Thorlabs公司购买的针孔)的直径约5μm。2f系统透镜197可以具有75mm的焦距。傅立叶透镜195可以具有35mm的预定焦距。
在这种共路径几何结构中，干涉仪是机械稳定的，这样允许高度敏感的相位测量。该系统被设计为遵循条纹采样条件：2.67Δx≤Λ，其中Δx是照相机像素大小，Λ是照相机上的干涉条纹周期。
在一个实施例中，照相机可以具有4.8μm的像素大小并且可以是19.5μm(9.09μm的光栅周期乘以2.14的4f系统放大倍数)，其充分满足采样条件。总体而言，系统的放大倍数为52倍，视野范围为118μm x 95μm。
通过上述光学设计和适当选择的光学组件，便携式QPM系统的尺寸可设置为小于30cm x 20cm x 5cm。如图1B所示，可以制作一个比便携式QPM系统稍大的盖子(37cm x32cm x 8cm)，以允许在不同的测试地点周围运输该系统。图1D示出了便携式QPM系统的内部构造。注意，便携式QPM系统不需要任何外部组件，例如显微镜主体、激光功率控制或样品台。通过与诸如计算机的计算装置的USB端口连接，可以根据应用要求准备将其用于测量透明或反射样品。
在一个实施例中，如图1C所示，通过连接照相机并且通过膝上型计算机的USB端口为激光源供电，便携式QPM系统被配置为根据各种应用需求对不同样品进行成像。膝上型计算机可以使用带有图形用户界面(GUI)的软件来为便携式QPM系统执行相位恢复和图像处理。
相位恢复和相位灵敏度
为了重建样品的相位图，可以利用基于傅立叶变换的相位恢复方法。该方法主要需要以下数值运算：(1)分别对捕获的样品干涉图和校准干涉图(即，在无样品区域中测得的干涉图)进行傅立叶变换；(2)带通滤波其对应的+1阶并且将它们移至基带；(3)对每个基带信号进行傅里叶逆变换，分别得到复成像场和复校准场；(4)通过计算复成像场与复校准场之比的自变量获得相位图；(5)执行相位展开以获得最终相位图。
通过干涉测量法恢复相位图时，其值被很好地定义为条纹调制方程的解析解，从而获得了稳健的相位恢复结果。由于相位恢复方法可以被并行化，因此可能会允许实时相位成像。但是，对于基于计算的相位成像方法(例如，自由度较低的全息呈现术，FPM和TIE)，通常会测量多个强度图像，并且开发了复杂的相位恢复方法以通过大量计算来重构相位图。由于仅测量强度图像，因此恢复到的绝对相位值会受算法影响。
基于干涉的QPM方法对外部机械振动很敏感，其可以通过共路径设计被最小化。同时，紧凑的系统设计可以使光行进距离最小化，从而有效降低机械振动的影响。通常由光程长度差(OPD)表征的相位噪声是表征QPM系统稳定性的重要参数。
在没有样品的情况下，以100fps的速度测量300幅干涉图，并恢复它们相应的相位图以进行噪声表征。图2A示出了300帧的所有像素的OPD值的直方图。该分布具有1.04nm的标准偏差，其被确定为相位空间噪声值。图2C示出了随时间对每个像素计算的OPD标准偏差值的直方图。直方图的中值为0.65nm，其被确定为相位时间噪声。空间相位噪声值和时间相位噪声值均与先前报道的其他基于激光的QPM系统相当。根据最近的一项研究，相位噪声最终与光子散粒噪声有关，该光子散粒噪声确定相位灵敏度约为其中N是电子阱容量。由于大多数相机的电子阱容量约为10,000至60,000个电子，因此转换为OPD值后的相位噪声通常约为1nm。图2B示出了3秒内帧平均OPD值的时间波动，而图2D示出了在所有300帧上平均的OPD图。
横向分辨率
根据阿贝准则，本发明的实施例的便携式QPM成像系统的横向分辨率被确定为λ/NA≈1.15μm(或全间距分辨率)。为了进一步验证QPM系统的分辨率，需要测量NIST参考材料(RM)8820样品。图3A示出了标记为L500nm、S500nm和L500nm、S1000nm线的结构的SEM图像。图3B是通过本发明的实施例的便携式QPM系统获得的相位图。在图3B的插图中，绘制了由矩形框中的白色虚线指示的L500nm S500nm线的线轮廓，从中可以清晰地分辨出每条线。将测得的轮廓拟合为正弦函数，并且线周期确定为0.96μm，与先前研究的1μm值一致。
高度轮廓测量
此外，通过测量多个校准样品来确定便携式QPM系统的高度测量精度。
对于反射模式测试，通过在Si/SiO2衬底上沉积金(Au)图案来提供用于制作场效应晶体管结构的源电极和漏电极的金电极，如图4A所示。通过热沉积和光刻沉积具有60nm厚度的Au结构。然后，在整个装置上沉积另一层15nm的Au层，以使样品完全反射，从而可以测量Au图案的高度轮廓。装置的一部分的表面高度图由便携式QPM系统重建，如图4B所示。
图4C是根据本发明的实施例的晶体管样品的原子力显微镜(AFM)图像(软件：NanoScope Analysis 1.5)，插图示出了沿着图4C中的白色虚线的晶体管样品的结构的线轮廓。
选择两个区域，一个区域在Au结构上，而另一个区域在底部结构上，如黑色虚线框所示，然后绘制高度直方图，如图4D所示。根据直方图，确定平均高度，并确定其在Au结构区域上的标准偏差(SD)分别为约65.70nm和约4.06nm。为了验证测量精度，测量在攻丝模式下带有AFM系统(Nanoscope IIIa,Bruker)的相同图案区域的高度图，如图4D中所示。类似地，绘制选定区域的高度直方图，并且Au结构的平均高度被确定为约为64.85nm且其标准偏差约为5.25nm。这些值与QPM测量值非常吻合。
注意，两个系统中的SD值非常相似，但是比大约1nm的相位空间噪声大得多，这可能是由于Au结构表面的表面粗糙度所致。可以看出，通过AFM获取512×512大小的图像需要花费超过10分钟的时间，而同一图像通过本发明的便携式QPM系统来获得仅需要几毫秒的时间。
在一个实施例中，分别基于用于透射模式和反射模式的以下等式，相位图被转化为高度图，h(x,y)：
其中，是相位图，λ是激光源的波长。对于使用等式(1a)的透射模式高度计算，Δn是样品与介质之间的折射率对比。对于反射模式，高度计算基于等式(1b)，因为光首先在空气中行进到样品表面，然后被反射。双通有2倍的因素，即Δn被替换为2。
图4E是根据本发明的实施例的在图4C中选择的Au结构区域和底部区域的高度直方图。
对于透射模式测试，使用标准的球形聚苯乙烯微球，其折射率值为1.59，直径为5μm(部件号4205A，Thermo Fisher)。这些微球悬浮在匹配折射率值为1.57的折射率匹配液体(例如，来自Cargille Labs的折射率匹配液体)中。图5A示出了由本发明的便携式QPM系统针对三个微球获取的高度图。图5B示出了在黄色矩形区域中的微球的线轮廓，其高度被确定为大约5μm。
成像应用实例
为了证明其广泛的适用性，下面描述在不同的材料计量和生物成像设置(包括但不限于：分析洁净室制造的装置结构、定量红细胞(RBC)膜波动、对微流体装置中流动的活细胞进行成像)下的便携式QPM系统。在反射模式或透射模式下进行不同样品的实验测量。
A.材料结构计量
在反射模式下，测量已经广泛用作工业中的校准样品的NIST参考材料(RM)8820。样品特征的平均高度和高度标准偏差分别被确定为97.3nm和1.6nm。图6A和图6B示出了一部分样品的测量的高度和形貌图，该一部分样品的相应扫描电子显微镜(SEM)图像被显示在图6C中。根据图6D所示的形貌直方图，平均高度被确定为大约93.41nm，而特征区域的高度标准偏差被确定为大约7.4nm。测量的高度标准偏差值大于参考值，可能是由于样品污染和激光斑点造成的。
B.红细胞成像
根据本发明的实施例的便携式QPM系统用于获得单个细胞的形态、生化和生物力学特性。例如，QPM可以用于测量RBC的形态，从中可以提取RBC机械性能。由于其易于获取，便携式QPM系统极大地方便了这些生物学观察。
对于透射模式测试，测量磷酸盐缓冲盐溶液中的新鲜RBC。图7A和图7B分别示出了RBC的原始干涉图和恢复的表面高度轮廓。RBC膜高度的动态波动可以通过获取延时摄影来观察。图7C是根据本发明的实施例的在图7B中选择的RBC的膜高度波动的视频。凭借其独特的单细胞分析功能，便携式QPM系统适用于RBC相关的病理生理研究和疾病诊断，尤其是在资源有限的环境中。
C.流动细胞成像
微流体装置已经被广泛用于各种细胞计数应用。便携式QPM系统可以与微流体装置集成在一起，以进行图像细胞计数应用，以便对大规模细胞群体进行统计分析。图8A示出了实际的微流体装置和通道的几何形状。首先将装置安装在样品架上，然后在通道中以2.5mm/s的速度使鼠成肌细胞系(例如，C2C12细胞系)流动。干涉图的延时帧被捕获，且进行处理以获得相位图像的延时。图8B展示出了代表性的相位图像，其示出了由黄线包围的微流体通道的成像视场。在相图像延时中捕获的多个不同的成肌细胞的相位图如图8D所示。为了对大规模细胞群进行统计分析，可以从相位图中提取每个细胞的干质量，即细胞的非水含量。干质量M可通过以下公式获得：
其中，α是折射率增量，且A是整个投影细胞区域的面积。此处，α的平均值为0.2mL/g，被用于根据测量的相位图计算成肌细胞的干质量。
为了简单分析，在图8C中绘制了捕获的成肌细胞干质量分布的直方图。鼠成肌细胞的干质量值分布在200-1000pg内，其针对类似细胞类型被先前报告证实。在先前报告中，阿基米德的方法是在微流体系统中实施的，以通过使用悬置式微通道谐振器(SMR)来测量单个细胞的密度。与该方法相比，本发明的便携式QPM系统可以提供更快和更方便的细胞干质量测量。对于实际中较大的细胞分析和表型分析，可以开发一种基于细胞形状和干质量的更复杂统计分析方法。
根据本发明的实施例的具有基于DPM的共路径干涉仪的低成本便携式QPM系统实现了高灵敏度，并且已经证明了在透射模式或反射模式下的各种材料计量和生物成像应用。
便携式QPM系统的相位测量准确性和精度已通过对不同的自制样品以及标准参考材料样品进行了性能验证。结果显示出与金标准原子力显微镜和制造规格的高度吻合。便携式QPM系统的时间和空间噪声分别被确定为大约0.65nm和大约1.04nm，这与先前在现有技术中的报告的值一致。
便携式QPM系统可以用于分析各种制造结构以及红细胞膜波动。对于细胞计数应用，可以对定制微流体芯片中流动的细胞进行成像。注意，便携式QPM系统不需要外部显微镜，并且其数据的传输和电力可以通过计算机的USB端口被供应。
集成偏振光学器件和光纤组件的恰当设计允许将便携式QPM系统的整个尺寸缩小到小于30cm x 20cm x 5cm的尺寸。如此小的占用空间使得可以在不同的环境设置中(包括在资源有限的情况下以及与其他成像情形集成)进行更广泛的部署。
根据本发明的实施例的低成本便携式QPM系统能够对所制造的微结构或纳米结构进行分析、量化诸如红细胞(RBC)膜波动之类的细胞形态、以及对微流体装置中的活细胞进行成像。
与基于大体积显微镜主体的常规QPM系统不同，本发明的便携式QPM系统的尺寸可以小于30cm×20cm×5cm。此外，通过USB端口从外部进行连接，便携式QPM系统可以轻松运输到不同的研究实验室和资源有限的部位进行成像，或者与其他计量或成像情形集成。
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参考
1.Popescu,G.，Quantitative phase imaging of cells and tissues(细胞和组织的定量相位成像)：McGraw-Hill:纽约，2011；p xx,362p。
2.Lee,K.、Kim,K.、Jung,J.、Heo,J.、Cho,S.、Lee,S.、Chang,G.、Jo,Y.、Park,H.、Park,Y.，Quantitative Phase Imaging Techniques for the Study of CellPathophysiology:From Principles to Applications(用于细胞病理生理学研究的定量相位成像技术：从原理到应用)。Sensors-Basel 2013,13(4),4170-4191。
3.Park,Y.、Best,C.A.、Badizadegan,K.、Dasari,R.R.、Feld,M.S.、Kuriabova,T.、Henle,M.L.、Levine,A.J.、Popescu,G.，Measurement of red blood cell mechanicsduring morphological changes(形态变化过程中红细胞力学的测量)。P Natl AcadSciUSA 2010,107(15),6731-6736。
4.Majeed,H.、Nguyen,T.、Macias,V.、Tangella,K.、Kajdacsy-Balla,A.、Do,M.、Popescu,G.，Towards Automated Histopathology of Breast Cancer Using SpatialLight Interference Microscopy(SLIM)(利用空间光干涉显微镜(SLIM)实现乳腺癌的自动化组织病理学)。Modern Pathol 2016,29,55a-56a。
5.Bhaduri,B.、Edwards,C.、Pham,H.、Zhou,R.J.、Nguyen,T.H.、Goddard,L.L.、Popescu,G.，Diffraction phase microscopy:principles and applications inmaterials and life sciences(衍射相位显微镜：材料和生命科学中的原理和应用)。AdvOpt Photonics 2014,6(1),57-119。
6.Edwards,C.、Zhou,R.J.、Hwang,S.W.、McKeown,S.J.、Wang,K.Y.、Bhaduri,B.、Ganti,R.、Yunker,P.J.、Yodh,A.G.、Rogers,J.A.、Goddard,L.L.、Popescu,G.，Diffraction phase microscopy:monitoring nanoscale dynamics in materialsscience[Invited](衍射相位显微镜：监测材料科学中的纳米级动力学[已邀请])。ApplOptics2014,53(27),G33-G43。
7.Zhou,R.J.、Edwards,C.、Arbabi,A.、Popescu,G.、Goddard,L.L.，Detecting20nm Wide Defects in Large Area Nanopatterns Using OpticalInterferometric Microscopy(使用光学干涉显微镜在大面积纳米图案中检测20nm宽的缺陷)。Nano Lett 2013,13(8),3716-3721。
8.Jafarfard,M.R.、Moon,S.、Tayebi,B.、Kim,D.Y.，Dual-wavelengthdiffraction phase microscopy for simultaneous measurement of refractive indexand thickness(双波长衍射相位显微镜同时测量折射率和厚度)。Opt Lett 2014,39(10),2908-2911。
9.Popescu,G.、Ikeda,T.、Dasari,R.R.、Feld,M.S.，Diffraction phasemicroscopy for quantifying cell structure and dynamics(用于定量细胞结构和动力学的衍射相位显微镜)。Opt Lett 2006,31(6),775-777。
10.Lee,K.、Park,Y.，Quantitative phase imaging unit(定量相位成像单元)。Opt Lett 2014,39(12),3630-3633。
11.Pham,H.V.、Edwards,C.、Goddard,L.L.、Popescu,G.，Fast phasereconstruction in white light diffraction phase microscopy(白光衍射相位显微镜中的快速相位重建)。Appl Optics 2013,52(1),A97-A101。
12.Edwards,C.、Arbabi,A.、Popescu,G.、Goddard,L.L.、Optically monitoringand controlling nanoscale topography during semiconductor etching(vol 1,e30,2012)(在半导体蚀刻过程中光学监测和控制纳米尺度的形貌(第1卷，e30，2012年))。Light-Sci Appl 2012,1。
13.Park,Y.K.、Best,C.A.、Auth,T.、Gov,N.S.、Safran,S.A.、Popescu,G.、Suresh,S.、Feld,M.S.，Metabolic remodeling of the human red blood cell membrane(人红细胞膜的代谢重塑)。P Natl Acad Sci USA 2010,107(4),1289-1294。
14.Park,Y.K.、Diez-Silva,M.、Popescu,G.、Lykotrafitis,G.、Choi,W.S.、Feld,M.S.、Suresh,S.，Refractive index maps and membrane dynamics of human red bloodcells parasitized by Plasmodium falciparum(恶性疟原虫寄生的人红细胞的折射率图和膜动力学)。P Natl Acad Sci USA 2008,105(37),13730-13735。
15.Jin,D.、Sung,Y.J.、Lue,N.、Kim,Y.H.、So,P.T.C.、Yaqoob,Z.，LargePopulation Cell Characterization Using Quantitative Phase Cytometer(使用定量相位细胞仪对大种群细胞表征)。Cytom Part A 2017,91a(5),450-459。

Claims (23)

1.一种用于定量相位成像的系统，所述系统包括：
照明源，所述照明源产生照明光束；
光纤耦合器，所述光纤耦合器具有耦合到所述照明源以接收所述照明光束的输入端，并被配置为提供第一照明光束以从第一输出端输出以沿着透射模式路径传播和第二照明光束以从第二输出端输出以沿着反射模式路径传播；
第一线性偏振器，所述第一线性偏振器被设置在所述透射模式路径中，以接收来自所述光纤耦合器的所述第一照明光束，并且被配置为在照明样品之前使所述第一照明光束线性偏振；
第二线性偏振器，所述第二线性偏振器被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述光纤耦合器的所述第二照明光束，并且被配置为使所述第二照明光束线性偏振；
半波片，所述半波片被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述第二线性偏振器的所述第二照明光束，并且被配置为沿水平轴线将所述第二照明光束的偏振旋转到约0°；
偏振分束器PBS，所述偏振分束器被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述半波片的所述第二照明光束，并且被配置为将入射椭圆偏振光分成正交偏振光束，使得水平偏振的第二照明光束完全指向物镜侧；
四分之一波片，所述四分之一波片被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述PBS的所述第二照明光束，并且被配置为将成像场偏振状态沿竖直轴线旋转大约90°，使得所述第二照明光束在形成图像之前仅沿着所述PBS的右手侧端口行进；
显微镜物镜，所述显微镜物镜被设置在所述反射模式路径中，以接收来自所述四分之一波片的所述第二照明光束，并且将所述第二照明光束透射到所述样品，并且接收由所述样品反射的所述第二照明光束形成的第三照明光束；所述显微镜物镜被设置成接收从所述透射模式路径传播并且透射穿过所述样品用于成像的第一照明光束；
镜筒透镜，所述镜筒透镜被设置成接收来自所述PBS的所述第三照明光束；
共路径干涉仪系统，所述共路径干涉仪系统被设置成接收来自所述镜筒透镜的所述第三照明光束，所述共路径干涉仪系统包括：
衍射光栅，所述衍射光栅被设置在中间像平面中，并且被配置为生成多个级次的光束，其中，第0衍射级光束被配置为成像光束，并且第1衍射级光束被配置为参考光束；
傅立叶透镜，所述傅立叶透镜被设置成接收所述第0衍射级光束和所述第1衍射级光束，并且被配置为将所述第0衍射级光束和所述第1衍射级光束向下聚焦预定的焦距；
针孔，所述针孔被设置在傅立叶平面中以接收所述第一级光束，被配置为用于所述第一级光束的低通滤波器；
2f系统透镜，所述2f系统透镜被设置成接收来自所述傅立叶透镜的所述成像光束和来自所述针孔的所述参考光束，并被配置为准直所述参考光束和所述成像光束，使得准直的参考光束和成像光束彼此干涉以在最终像平面处形成干涉图。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述照明源被配置为提供波长为大约633nm且最大输出功率为大约4.6mW的激光束。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤耦合器是单模1x2光纤耦合器。
4.根据权利要求1所述的系统，其还包括耦合透镜，所述耦合透镜被设置在所述照明源与所述光纤耦合器之间。
5.根据权利要求1所述的系统，其还包括第一准直器，所述第一准直器被设置在所述光纤耦合器的所述第一输出端与所述第一线性偏振器之间，用于准直来自所述光纤耦合器的所述第一照明光束。
6.根据权利要求1所述的系统，其还包括第二准直器，所述第二准直器被设置在所述光纤耦合器的所述第二输出端与所述第二线性偏振器之间，用于准直来自所述光纤耦合器的所述第二照明光束。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，对于所述反射模式光路径，所述光纤耦合器被配置为在被线性偏振之前将所述照明光束扩展为具有大约10mm的直径。
8.根据权利要求1所述的系统，其还包括收集器透镜，所述收集器透镜被设置在所述半波片与所述PBS之间，其中，所述收集器透镜和所述显微镜物镜形成4f系统，以确保均匀且准直的光束照射在视场中的所述样品。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，在所述照明光束从所述样品反射之后，创建所述成像场，在所述成像场的相位中携带所述样品的结构信息。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述半波片、所述四分之一波片和所述第二线性偏振器形成隔离器，所述隔离器确保所述第二照明光束单向传播。
11.根据权利要求1所述的系统，其还包括第一镜，所述第一镜被设置在所述第一线性偏振器与所述样品之间，以将所述第一照明光束反射到所述样品。
12.根据权利要求1所述的系统，其还包括第二镜，所述第二镜被设置在所述镜筒透镜与所述衍射光栅之间，以将所述第三照明光束反射到所述衍射光栅。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述衍射光栅为110线/毫米的光栅。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述针孔具有约5μm的直径。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述2f系统透镜具有约75mm的焦距。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述衍射光栅被配置为使得所述成像光束行进通过所述衍射光栅和所述2f系统透镜的中心，以避免所述成像系统中的色散和相差。
17.根据权利要求1所述的系统，其还包括图像拍摄装置，所述图像拍摄装置被设置在所述最终成像面中，以拍摄在成像场形成的干涉图，该干涉图可用来恢复出相位图。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述图像捕获装置是照相机。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预定的焦距大约35mm。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤耦合器被配置为：当要成像的所述样品是透明样品时，切断或阻挡用于所述反射模式路径的所述第二照明光束。
21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤耦合器被配置为：当要成像的所述样品是反射样品时，切断或阻挡用于所述透射模式路径的所述第一照明光束。
22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤耦合器被配置为：当要成像的所述样品是半透明样品时，同时提供用于所述透射模式路径的所述第一照明光束和用于所述反射模式路径的所述第二照明光束。
23.一种用于获取样品的定量相位图像的方法，所述方法包括：
通过照明源产生照明光束；
通过光纤耦合器将所述照明光束分成沿透射模式路径传播的第一照明光束和沿反射模式路径传播的第二照明光束；
通过设置在所述透射模式路径中的第一线性偏振器使所述第一照明光束线性偏振；
通过设置在所述反射模式路径中的第二线性偏振器使所述第二照明光束线性偏振；
通过设置在所述反射模式路径中以从所述第二线性偏振器接收所述第二照明光束的半波片，使所述第二照明光束的偏振沿水平轴线旋转到大约0°；
通过设置在所述反射模式路径中的偏振分束器PBS，将来自所述半波片的入射椭圆偏振光分成正交偏振光束，使得水平偏振的第二照明光束完全指向物镜侧；
通过四分之一波片将光束偏振状态沿竖直轴线旋转大约90°，使得所述第二照明光束在形成图像之前仅沿着所述PBS的右手侧端口行进，其中所述四分之一波片被设置在所述反射模式路径中以接收来自所述PBS的所述第二照明光束，并且被配置为：
通过显微镜物镜将所述第二照明光束透射到所述样品，并且接收由所述样品反射的所述第二照明光束和透射穿过所述样品用于成像的所述第一照明光束形成的第三照明光束，其中，所述显微镜物镜被设置在所述反射模式路径中以接收来自所述PBS的所述第二照明光束；
通过镜筒透镜接收来自所述PBS的所述第三照明光束，并且为共路径干涉测量提供所述第三照明光束；并且
通过以下方式执行共路径干涉测量：
通过设置在中间像平面中的衍射光栅产生多个级次的光束，其中，第0衍射级光束被配置为成像光束，并且第1衍射级光束被配置为参考光束；
通过傅立叶透镜将所述第0衍射级光束和所述第1衍射级光束向下聚焦预定的焦距；
通过设置在傅立叶平面中的针孔，对所述第1级光束进行低通滤波；并且
通过2f系统透镜对所述参考光束和所述成像光束进行准直，使得准直的参考光束和成像光束相互干涉，以在最终像平面处形成干涉图，所述2f系统透镜被设置成接收来自所述傅立叶透镜的所述成像光束和来自所述针孔的所述参考光束。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113960040A (zh) * 2021-10-29 2022-01-21 杭州智微信息科技有限公司 一种自动检测识别疟原虫的系统及方法
US20230141269A1 (en) * 2021-11-10 2023-05-11 Bay Jay Ray Technology Limited Device, method and computer readable storage medium for quantitative phase imaging
GB202200974D0 (en) * 2022-01-26 2022-03-09 Dyneval Ltd Apparatus and method for measuring a parameter of particles

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103328921A (zh) * 2011-01-25 2013-09-25 麻省理工学院 单镜头全视场反射相显微镜
WO2013140396A1 (en) * 2012-03-21 2013-09-26 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Portable interferometric device
WO2018070451A1 (ja) * 2016-10-11 2018-04-19 国立大学法人神戸大学 ディジタルホログラフィック顕微鏡
EP3502665A1 (en) * 2017-12-22 2019-06-26 Université d'Aix Marseille Devices and methods for total internal reflection (tir) microscopy
CN110109240A (zh) * 2019-04-08 2019-08-09 江苏大学 非正交基下的双通道双波长相位显微成像系统及方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8248614B2 (en) * 2009-03-16 2012-08-21 Ut-Battelle, Llc Quantitative phase-imaging systems
WO2013086527A1 (en) * 2011-12-09 2013-06-13 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods self-referenced quantitative phase microscopy
US8837045B2 (en) * 2012-09-21 2014-09-16 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Diffraction phase microscopy with white light
KR101593080B1 (ko) * 2014-01-22 2016-02-11 연세대학교 산학협력단 회절 위상 현미경 시스템 및 이를 이용한 측정방법
WO2020223584A1 (en) * 2019-05-01 2020-11-05 Trustees Of Boston University Systems and methods for bond-selective transient phase imaging

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103328921A (zh) * 2011-01-25 2013-09-25 麻省理工学院 单镜头全视场反射相显微镜
WO2013140396A1 (en) * 2012-03-21 2013-09-26 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Portable interferometric device
WO2018070451A1 (ja) * 2016-10-11 2018-04-19 国立大学法人神戸大学 ディジタルホログラフィック顕微鏡
EP3502665A1 (en) * 2017-12-22 2019-06-26 Université d'Aix Marseille Devices and methods for total internal reflection (tir) microscopy
CN110109240A (zh) * 2019-04-08 2019-08-09 江苏大学 非正交基下的双通道双波长相位显微成像系统及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
免显微物镜的共光路相位显微成像方法;陈映洲;季颖;谢铭;徐媛媛;韩豪;卜敏;王亚伟;;激光与光电子学进展(第12期);全文 *

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