小型化定量相位显微成像仪设计(2)
理解与接受。因为振幅的平方，又称为光强度（在光度学中一般称为辐照度[1]
）。然而在实际中，检测设备只能直接测量到波场的强度，却不能同时得到波场的相位。
但是相位又非常重要。在一幅图像中携带绝大部分信息的并非是振幅，而是相位成分。
研究表明大约只有四分之一的信息在振幅中，其余四分之三左右的信息则在相位中[2]
。在一些特定的领域相位的重要性尤为突出：如在光学测量、自适应光学、表面重建、深度测量、
材料物理学、电子显微学、X射线衍射光学、位置检测、生物医学成像等领域。
在生物学和医学中，细胞是生命体的结构单元，它也是一个生命体活动的基本单位。而
对于生物细胞特征（例如，形态、大小、结构特征）的识别技术则尤为重要，它可以说是生
命科学研究的基础。但那些生物细胞却都是微小且透明的，也就是说细胞的振幅透过率分布
是均匀的，当光波透过生物细胞时，其对光波振幅部分没有发生显著的改变。但是由于其内
部折射率或厚度不均匀会产生相位变化。所以要对细胞进行研究，对其相位部分进行定量测
量具有非常大的意义。
为了实现对细胞特征的无损伤成像，1942年泽尼克利用了光的衍射和干涉特性，根据空
间滤波的原理改变物光波的频谱相位，成功地将相位差转换成振幅差而提出了相衬法（相位
对比显微技术） ，大大地提高了透明物体的可分辨性，揭开了细胞相位成像的新篇章[3]
。但是该方法却由于理论上相位和强度之间的分布是呈现非线性关系的，所以该方法只能用来作为
定性分析。随着研究的逐渐深入，对于定量相位显微成像技术的研究则成为必然趋势。
1.2 国内外发展现状
定量相位显微成像技术是根据相位成像原理而发展起来的，该技术能够定量地表示由细
胞产生的相位变化[4]。所以本质上需要实现相位的恢复。而这部分大多数是基于干涉原理的，
例如，美国麻省理工学院Popescu 等人先后提出了傅里叶相位显微技术(FPM )[5]、空间光干涉
显微技术(SLIM ) [6]和白光傅里叶相位显微技术(wFPM ) [7]，以及美国杜克大学 Shaked 等人提
出的平行二步相移显微技术等。美国 Chalut等人就离轴干涉先后基于二步相移提出了异步数字全息[8]
和双通道干涉显微技术[9]。但是这些基于干涉原理提出的方法都需要通高度相干光源
的干涉叠加来实现，但是干涉装置比较复杂、对测量环境要求苛刻、并且高相干性的光源会引入散斑噪声，其实也就是说干涉法是从强度的测量来实现相位恢复，这会要求光源在空间
和时间上要有连续性，而这些往往会限制它在显微成像方面的应用。
所以近些年来，由于干涉方法的局限性，很多学者提出利用非干涉光场来实现相位恢复。
目前利用非干涉技术实现相位恢复的方法主要有两大类，分别为基于光强传输方程(TIE)的确
定性求解和迭代[10]
。目前基于光强传输方程的确定性求解相位的方法也比较多，有多重网格
法、傅里叶法、基于离散余弦变换的快速求解[11]。迭代求解的方法有角谱迭代、GS迭代[24]。
传统的光强传输实验装置采用的是 4f系统，在算法上它具有非迭代性，但是，当采集两个及
两个以上与光轴垂直平面上的光强分布时，则需要通过移动物体或者相机来实现，这又会降
低数据的采集速度。所以，近些年来不断出现光强传输方程法的强度记录方式的改进。例如
通过色差与颜色通道复用实现单次彩色图像曝光获取三幅光图像[12]；通过体全息布拉格