李卓识，南京理工大学博士

张泽众，南京理工大学硕士研究生

数字全息显微镜(Digital holographic microscopy, DHM)作为一种典型的定量相位成像技术（Quantitative phase imaging, QPI），凭借其非侵入性、全视场、高精度成像的优势，已成为活细胞动态观测的有力工具^[1]。然而，传统DHM技术却始终面临着两个根本性难题，即传统“双光臂”干涉结构往往需要采用高相干光源以便于光程差匹配，尽管具有较高的相位灵敏度，成像质量却极易受散斑噪声、寄生伪影和环境振动的影响^[2]；为了进一步提升系统稳定性与成像信噪比，低相干光源与共路（Common-Path）干涉结构被采用，有效抑制噪声的同时却引入了“复制像”（Replica），阻碍了对于密集分布样本的全视场高精度成像与定量分析。因此，如何在保证系统紧凑性和稳定性的同时，实现高精度、高信噪比、高分辨率的全视场定量相位测量是一个亟待解决的难题。

近日，南京理工大学陈钱、左超教授团队联合波兰华沙理工大学Malgorzata Kujawinska、Maciej Trusiak教授团队，提出了一种低相干照明下无复制像全剪切共路数字全息显微术（Replica-free total-shear common- path DHM, RF-CPDHM）。该方法结合物理信息神经网络（PINN）思想创新性地将前向模型先验与零样本深度学习策略相结合，解决了低相干照明下三光束干涉共路数字全息中的“复制像”难题，实现了高分辨率、高信噪比、全视场的定量相位成像，并应用于油酸诱导下活体肝癌细胞中脂滴和囊泡动态变化研究。该成果以“Learning to Self-Interfere: Zero-Shot Deconvolution Enables Replica-Free, Low-Coherence Common-Path Quantitative Phase Microscopy”为题发表在Laser & Photonics Reviews。本文第一作者为李卓识（博士）、张泽众（硕士研究生）。南京理工大学陈钱、左超教授，华沙理工大学Malgorzata Kujawinska、Maciej Trusiak教授为共同通讯作者。

本研究提出了一种无复制像全剪切共路数字全息显微成像技术（RF-CPDHM）。该技术基于偏振光栅构建了三光束共路干涉系统，其所具备的本征消色差特性为低相干光源的使用提供了前提条件，解决了传统“双光臂”干涉结构中相干长度较短无法实现全视场稳健干涉的难题，同时有效抑制了散斑噪声与寄生伪影，并保证了系统稳定性。此外，不同于系统相对复杂的点衍射共路干涉结构，基于横向剪切的共路干涉规避了频谱泄露所带来成像伪影的同时，简化了数字全息显微成像系统使其更加紧凑。然而，“复制像”的存在则极大限制了针对密集样本的全视场、高精度定量相位成像。对此，RF-CPDHM提出了一种反卷积先验零样本学习的策略，将复制像抑制问题视为一个病态逆问题，并通过无监督学习的方式求解非线性最优以实现全视场定量相位恢复。相比于现有的无监督学习方法，反卷积先验确保了高效稳健的收敛，准确的前向模型构建约束了解空间，保证了特定实例下的重建稳定性及物理可解释性；模型假设其处理非自然图像的能力可扩展至伪影抑制领域，从而解决复制像难题。具体的成像光路与重建过程如视频1所示。

视频1 RF-CPDHM成像光路设置与算法流程。

基于提出的无复制像全剪切共路数字全息显微成像技术，研究团队通过USAF相位分辨率板验证了该方法在成像分辨率、信噪比及相位灵敏度方面的卓越性能。实验结果显示，在20倍0.8NA物镜下RF-CPDHM可以实现308 nm的横向分辨率，超过了高相干照明下传统双臂干涉结构的388 nm，同时有效抑制了散斑噪声与寄生伪影，显著提升了成像信噪比，实现了全视场的定量相位测量（图1）。

图1 USAF相位分辨率板测试结果。(a) 带复制像的定量相位成像结果（(b-d)基于RF-CPDHM、WD和Two-arm DHM的定量相位成像结果；(b1-d1) 区域1、2和3的放大视图及标准偏差估计；(e) 三维渲染视图；(f) 区域1、2、3的相位直方图；(g) (b-d)中矩形区域的截面剖线图。

通过对活体肝癌细胞（PLC）的成像实验，进一步验证了RF-CPDHM在活细胞长时程、高保真动态观测中的优异性能。实验结果表明，RF-CPDHM能够准确解析亚细胞尺度下诸如脂滴、囊泡在内的细胞器结构，并对其进行量化表征。此外，RF-CPDHM利用反卷积先验的无监督学习方法有效解决了复制像问题，规避了传统维纳滤波反卷积方法所带来的成像伪影困扰，确保了准确的全视场成像与定量分析（图2）。利用非侵入、高分辨、高精度成像特点，RF-CPDHM成功揭示了油酸诱导下细胞内脂滴的“生成-降解”双相动态过程，这为细胞代谢、病理学等无标记定量研究提供了强有力的技术工具。

图2 PLC细胞相位成像结果。(a)基于RF-CPDHM的复制像去除结果；(b)带复制像的相位重建结果；(c-d)区域1和2的高亮视角；(e)基于WD的复制像去除结果；(f)三种成像方法得到的PLC细胞中脂滴干重的小提琴图；(g-i)对(c-e)中的PLC细胞脂滴分割结果；(j)PLC细胞中脂滴面积的小提琴图。

凭借高分辨率、高信噪比、全视场快速成像优势，RF-CPDHM对PLC细胞中的脂滴结构进行了动态研究，成功捕捉到了脂滴在数秒至数分钟时间尺度上的快速形态演变过程。如图3所示，该技术不仅清晰记录了单个脂滴由球形经“哑铃状”中间体最终分裂为两个独立脂滴的完整裂变过程，还揭示了相邻脂滴相互靠近并融合为单一球形液滴的动态可逆现象。此外，研究还观察到小脂滴在细胞质中穿梭并介导大脂滴间物质交换的“快速穿梭”行为，全过程在10秒内完成。这些亚细胞器尺度的动态细节，充分验证了RF-CPDHM在活细胞无标记、长时程、高保真动态观测中的卓越能力，为揭示细胞内脂质稳态调控机制提供了强有力的工具。

图3 RF-CPDHM揭示了OA诱导下脂滴随时间变化的形态变化（融合与分裂）。(a)RF-CPDHM的相位重建结果（其中ROI 1和ROI 2分别用蓝色和橙色方框标出）；(b1-b6)OA诱导下脂滴在数秒内的形态变化过程；其中(b1–b3)展示了分裂过程,(b4–b6)展示了融合过程；(c1-c4)小脂滴介导的脂滴间快速穿梭现象

本研究提出了一种无复制像全剪切共路数字全息显微成像技术，通过偏振光栅构建的紧凑共路架构，利用基于反卷积先验的零样本学习策略求解非线性优化问题，有效解决了传统共路系统在观测密集样本时的复制像难题，从而实现了高分辨率、高信噪比及全视场的定量相位成像。在中心波长为532 nm、光谱带宽为10 nm的激光二极管照明下，结合20倍0.8 NA物镜，RF-CPDHM实现了308 nm的成像分辨率，成功捕捉到了亚微米尺度下细胞器的形态变化，展示了该技术在细胞器相关代谢疾病（如肝损研究、肿瘤代谢研究）的可靠表型分析和定量研究中具有巨大潜力。

展望未来，该技术可以和多项技术进行融合。可以将该技术整合到光学衍射层析中，以克服现有共路光学衍射层析技术中稀疏样本分布的限制，这有望为无标记活细胞三维成像、细胞器动态分析等领域提供全新的影像学和计量学工具。也有望将该技术与非干涉QPI技术相融合，代替干涉-非干涉混合QPI技术^[4]中原有的相对复杂的马赫曾德尔结构，实现系统的紧凑并抑制噪声的干扰，进一步提升抗振性和时间相位灵敏度的同时，实现更高的分辨率和更高信噪比的QPI。

Zhuoshi Li^§, Zezhong Zhang^§, Yao Fan, Runnan Zhang, Yefeng Shu, Jiasong Sun, Lei Zhang, Ran Ye, Piotr Zdańkowski, Maciej Trusiak*, Malgorzata Kujawinska*, Qian Chen*, Chao Zuo*,

“Learning to Self-Interfere: Zero-Shot Deconvolution Enables Replica-Free, Low-Coherence Common-Path Quantitative Phase Microscopy,”Laser & Photonics Reviews: e71702.

通讯作者：

左超教授，南京理工大学紫金卓越教授、长江学者特聘教授、国际光学工程学会、美国光学学会、英国物理学会会士、连续入选科睿唯安全球高被引科学家

陈钱教授，长江学者特聘教授、全国创新争先奖获得者、南京理工大学国家一级重点学科“光学工程”学科带头人、现任中北大学校长、党委副书记

Małgorzata Kujawińska，波兰华沙理工大学教授，博士生导师, SPIE主席（2005年）、欧洲技术平台Photonics21副主席（2005-2016年）

Maciej Trusiak，波兰华沙理工大学副教授，博士生导师，Optica 计算光学传感与成像会议（COSI）的程序委员会主席

南京理工大学智能计算成像实验室（SCILab: www.scilaboratory.com）隶属于“光学工程”国家一级重点学科带头人陈钱教授领衔的“光谱成像与信息处理”教育部长江学者创新团队与首批“全国高校黄大年式教师团队”。实验室学术带头人左超教授为教育部长江学者特聘教授、国际光学工程学会/美国光学学会/英国物理学会会士（SPIE/Optica/IOP Fellow)。依托“极限环境光电动态测试技术与仪器”全国重点实验室、“先进光电成像技术与仪器”教育部工程研究中心、“计算光学成像与测量”科技部国家示范型国际科技合作基地等8个高层次科研创新平台，在国家重大需求牵引及重点项目支持下开展新型“智能计算成像”的机理探索、工程实践以及先进仪器的研制工作，推动信息光学、精密测量、先进材料与人工智能的深度交叉融合，并开拓其在生命科学、生物医药、智能制造、遥感监测以及国防安全等领域的前沿应用。研究成果已在SCI源刊上发表论文300余篇，其中50余篇论文被选作PhotoniX、Light、Optica、AP等期刊封面论文，30篇ESI高被引/热点论文，论文被引逾2.4万次。培养研究生6人获全国光学工程优秀博士论文/提名奖，6人获中国光学学会王大珩光学奖，4人获SPIE光学与光子学教育奖学金，获“挑战杯”、“创青春”等全国金奖16次，“互联网+”全国总冠军。获评“江苏青年五四奖章”集体、“中国大学生自强之星”科创团体等荣誉称号。人才培养事迹受到央视《焦点访谈》、人民日报、美国光学学会会刊Optics & Photonics News等百余家媒体专题报道。

波兰华沙理工大学机电一体化学院微机械与光子研究所致力于计算成像等方向研究，多项成果发表于Optics Express、Applied Optics、Journal of Microelectromechanical Systems、Biomedical Optics Express等光学期刊，团队多次获得SPIE、波兰国家科学中心科研奖项。其中，生物相位实验室（BioPhase Lab）由华沙理工大学Małgorzata Kujawińska教授创立，主要开展二维和三维定量相位成像系统的计量学研究与标准化工作，同时致力于开发用于细胞、类器官和组织多模态研究的新型成像方法与系统。Małgorzata Kujawińska教授著有学术专著一部、多篇书籍章节及超过200篇国际科学期刊论文。曾任SPIE主席（2005年）、欧洲技术平台Photonics21副主席（2005-2016年），并于2013年荣获SPIE Chandra S. Vikram光学计量奖。定量计算成像实验室(https://qcilab.mchtr.pw.edu.pl/)由华沙理工大学Maciej Trusiak副教授创立，主要研究方向包括相干（干涉计量、全息）与非相干（傅里叶叠层、差分相衬）成像技术。Maciej Trusiak副教授发表国际科学期刊论文超140篇，曾担任Optica 计算光学传感与成像会议（COSI）的程序委员会主席。两个研究团队的共同目标是构建新型计算成像框架，将数值重建算法的发展与实验光学系统的创新相结合，团队自2022年和南理工长期保持合作。

转载来源：CSOE计算成像CITA