基于sCMOS相機單次曝光并行四步相移的定量相位成像研究

以sCMOS相機為同步采樣核心，在單次曝光中并行獲取四通道相移干涉信息，構建時間統一的數據采集機制，實現高速、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）能夠在無標記條件下重建細胞與組織的光學厚度、折射率及干質量分布，是研究活體細胞動態行為的關鍵技術路徑。然而傳統空間光干涉顯微（SLIM）系統依賴多幀相移采集，時間分辨率通常受限于串行調制與逐幀曝光過程，難以滿足毫秒尺度生物過程的連續觀測需求。

上述瓶頸本質上源自成像系統缺乏能夠在單幀內完成多通道同步采樣的檢測器件。針對此瓶頸，深圳大學科研團隊構建并行四步相移架構的SE-SLIM系統，通過引入千眼狼（Revealer）sCMOS相機作為核心采集單元，使四路相移信息在同一時間基準下完成記錄，從數據源層面重構定量相位成像的時間結構。

2.實驗設備

實驗系統由明場顯微鏡與定量相位成像模塊構成，其中關鍵檢測單元為千眼狼（Revealer）Gloria 4.2 sCMOS相機，核心參數為：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。

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

在該系統中，sCMOS相機不僅承擔成像記錄功能，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合的成像方案，SLM對四路光束施加離散相位調制，sCMOS相機在單幀曝光內同步捕獲四幅相移強度圖像，經窗口分割與配準后，通過反正切函數完成相位反演。

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相機的大面陣并行讀出能力。

實驗分別對DMSO刺激下的紅細胞和HeLa細胞，由sCMOS相機完成高速時序圖像采集，記錄細胞形態演變與干質量動態變化過程，并基于sCMOS原始序列數據開展定量分析。

4. 實驗數據解析（基于sCMOS相機圖像采集結果分析）

千眼狼（Revealer）Gloria 4.2 sCMOS相機在系統標定、相位重建及動態活細胞成像中提供直接觀測證據。

4.1 系統采集機制

傳統SLIM系統需要四次獨立的相機曝光才能獲取一組完整的四步相移數據，Gloria 4.2 sCMOS相機單次觸發即可完成四通道同步采集，較傳統SLIM系統時間分辨率提升4倍，實現時間維度上的統一采樣。圖1為傳統SLIM與SE-SLIM數據獲取方式對比。

圖1 sCMOS相機單次曝光四通道同步采集機制，對比傳統多幀采集流程，體現時間統一采樣能力

sCMOS相機在此承擔“時間統一采樣器”的角色，單幀多通道采集能力是實現單次曝光相位恢復的必要條件。

4.2 系統標定與相位靈敏度

圖2為系統分辨率與相位靈敏度標定結果。得益于sCMOS相機高分辨率與低讀出噪聲，系統實現＜500 nm相位分辨率，空間相位靈敏度達1.84 nm，時間相位靈敏度達0.82 nm；sCMOS連續256 fps采集的時序相位波動統計顯示，隨機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高速連續采集的相位噪聲統計結果，展示時間相位穩定性與納米級靈敏度來源

測量結果表明sCMOS相機可提供長時間高速穩定采集能力，低讀出噪聲與高量子效率直接體現在納米級相位靈敏度上，為定量相位測量提供數據基礎。

4.3 標準顆粒定量成像一致性驗證

圖3為10 μm聚苯乙烯微球sCMOS采集與相位重建結果。sCMOS相機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相機采集的微球干涉信號及相位重建一致性統計，驗證其在定量測量中的線性響應與穩定性

統計結果表明該sCMOS相機在弱干涉信號采集、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 活細胞動態觀測

圖4為紅細胞與HeLa細胞動態sCMOS成像序列，sCMOS相機以135 fps完成6.4 s連續無間斷采集，精準捕捉紅細胞滲透膨脹、凹陷扁平化，以及HeLa細胞快速收縮、膜結構破損與囊泡形成等毫秒級動態過程。

圖4 sCMOS相機135 fps連續采集的細胞動態序列及干質量演化曲線，體現其在高速生物過程觀測中的時間連續性

基于sCMOS高幀率時序數據，研究團隊成功定量分析細胞中心區域干質量動態演變，實現活細胞無標記、實時、定量監測，體現sCMOS相機在快速生物動態事件捕獲中具有相對優勢。

5. 實驗結論

I.本研究構建的基于并行四步相移的SE-SLIM定量相位成像系統，以sCMOS相機為核心數據采集節點，實現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中發揮了關鍵作用：

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SLIM的4倍，并實現對DMSO誘導下紅細胞和HeLa細胞毫秒級形態變化的完整記錄。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中，sCMOS相機不再是可替換組件，而是決定系統是否能夠實現單次曝光相位恢復的關鍵器件。該研究可為高速、無標記活細胞定量觀測提供一種設備級實現路徑。