我院蒋先涛副教授团队近期在涡旋散斑照明定量相位成像研究领域取得进展
导读
近日，我院蒋先涛副教授团队在涡旋散斑照明定量相位成像研究领域取得多项成果，以“High-resolution quantitative phase imaging via vortex beam speckle illumination”为题发表在国际知名光学杂志《Biomedical Optics Express》，我院博士研究生钟胜强为该论文的第一作者，黄永盛教授和蒋先涛副教授为该论文的通讯作者。以“Vortex beam dynamic speckle interference microscopy”为题发表在国际知名光学杂志《Optics Letters》, 我院硕士研究生邹鸿玮为该论文的第一作者，广州医科大学陈文杰教授和我院蒋先涛副教授为该论文的通讯作者。
研究简介
作为一种无标记、非侵入式成像技术，定量相位成像（Quantitative Phase Imaging, QPI）近年来在生物观测、医疗诊断与材料表征等领域展现出独特优势，受到科研与产业界的广泛关注。当前QPI系统普遍采用相干激光光源，然而此类光源易产生散斑噪声导致成像质量下降，且其空间分辨率受限于相干传递函数的孔径尺寸。针对这一技术瓶颈，本研究团队创新性地设计并搭建了涡旋光散斑照明系统。实验表明，该系统通过调控涡旋光拓扑荷数与角向波矢参数，可精确控制散斑颗粒度特性，实现成像信噪比从传统相干系统的16.4 dB显著提升至34.3 dB，空间分辨率较传统系统提升约1.5倍。
尽管信噪比与分辨率取得突破，光场相位信息的有效提取仍是关键挑战。传统散斑干涉系统受限于散斑场的空间低相干性，需通过参考光与信号光的"点对点"空间对准获取干涉条纹进行相位重构，这种设计不仅增加光路复杂性、降低环境噪声鲁棒性，更需依赖高功率固体激光光源。为此，我们提出两项创新解决方案：其一，在傅里叶平面引入四步相移法构建共光路系统，成功研制出高效紧凑的散斑定量相位成像装置；其二，基于光强传输方程（Transport-of-intensity Equation, TIE）开发非干涉相位重构系统，显著简化光路结构，增强系统经济性与可产品化特性。两套系统均通过标准强度/相位样品验证，并在红细胞、A549细胞等生物样本成像中展现出优异性能。
值得强调的是，本研究提出的涡旋光散斑场调控策略具有跨领域应用潜力：在工业领域可应用于微纳结构精密测量，天文学中可用于大气湍流补偿成像，光信息处理方面则为新型光场调控器件开发提供新思路。该技术体系的突破为QPI技术走向实际应用奠定了重要基础。
图1. 涡旋散斑动态干涉成像系统 (vortex beam dynamic speckle interferencemicroscopy, VISM)
图2. 通过涡旋光拓扑荷数和径向波矢实现散斑尺寸的有效调控
图3. 基于TIE的相位标准样品与红细胞样品表征数据。
研究团队介绍
课题组负责人蒋先涛，中山大学副教授，硕士生导师。团队目前博士生1名，硕士生5名。主要从事飞秒激光相关领域的研究，包括飞秒激光器的设计与搭建、飞秒激光微纳加工、泵浦-探测超快吸收光谱，二维材料非线性光学等；近期，我们开展了基于激光的无标记定量相位成像技术的研究。欢迎感兴趣的老师和同学与研究团队交流，联系方式：jiangxt27@mail.sysu.edu.cn。
