基于sCMOS相机单次曝光并行四步相移的定量相位成像研究

以sCMOS相机为同步采样核心，在单次曝光中并行获取四通道相移干涉信息，构建时间统一的数据采集机制，实现高速、高灵敏度的定量相位成像。

1.实验背景

定量相位成像（Quantitative Phase Imaging,QPI）能够在无标记条件下重建细胞与组织的光学厚度、折射率及干质量分布，是研究活体细胞动态行为的关键技术路径。然而传统空间光干涉显微（SLIM）系统依赖多帧相移采集，时间分辨率通常受限于串行调制与逐帧曝光过程，难以满足毫秒尺度生物过程的连续观测需求。

上述瓶颈本质上源自成像系统缺乏能够在单帧内完成多通道同步采样的检测器件。针对此瓶颈，深圳大学科研团队构建并行四步相移架构的SE-SLIM系统，通过引入千眼狼（Revealer）sCMOS相机作为核心采集单元，使四路相移信息在同一时间基准下完成记录，从数据源层面重构定量相位成像的时间结构。

2.实验设备

实验系统由明场显微镜与定量相位成像模块构成，其中关键检测单元为千眼狼（Revealer）Gloria 4.2 sCMOS相机，核心参数为：2048×2048像素分辨率，6.5 μm像元尺寸，全画幅下帧率135 fps，采用BSI 科学级图像传感器，具备低读出噪声和高量子效率95%特性，为弱光干涉条纹的精确记录提供硬件基础。

系统光路部分采用双级联非偏振分束器与直角反射棱镜结构，将入射光均匀分为四束等强光，并通过空间光调制器（SLM）分别加载0°、90°、180°与270°相位调制。四束光在像面形成空间分离的四窗口干涉图像，并由sCMOS相机在单次曝光中同步记录。

在该系统中，sCMOS相机不仅承担成像记录功能，更作为四通道相移干涉信息的同步采样核心，直接决定系统时间分辨率、相位噪声水平及定量测量精度。

3.实验方法

研究采用并行四步相移与单次曝光相结合的成像方案，SLM对四路光束施加离散相位调制，sCMOS相机在单帧曝光内同步捕获四幅相移强度图像，经窗口分割与配准后，通过反正切函数完成相位反演。

该实验方法成功的前提在于四幅相移图像在同一时间点获取，依赖于sCMOS相机的大面阵并行读出能力。

实验分别对DMSO刺激下的红细胞和HeLa细胞，由sCMOS相机完成高速时序图像采集，记录细胞形态演变与干质量动态变化过程，并基于sCMOS原始序列数据开展定量分析。

4. 实验数据解析（基于sCMOS相机图像采集结果分析）

千眼狼（Revealer）Gloria 4.2 sCMOS相机在系统标定、相位重建及动态活细胞成像中提供直接观测证据。

4.1 系统采集机制

传统SLIM系统需要四次独立的相机曝光才能获取一组完整的四步相移数据，Gloria 4.2 sCMOS相机单次触发即可完成四通道同步采集，较传统SLIM系统时间分辨率提升4倍，实现时间维度上的统一采样。图1为传统SLIM与SE-SLIM数据获取方式对比。

图1 sCMOS相机单次曝光四通道同步采集机制，对比传统多帧采集流程，体现时间统一采样能力

sCMOS相机在此承担“时间统一采样器”的角色，单帧多通道采集能力是实现单次曝光相位恢复的必要条件。

4.2 系统标定与相位灵敏度

图2为系统分辨率与相位灵敏度标定结果。得益于sCMOS相机高分辨率与低读出噪声，系统实现＜500 nm相位分辨率，空间相位灵敏度达1.84 nm，时间相位灵敏度达0.82 nm；sCMOS连续256 fps采集的时序相位波动统计显示，随机像素相位值分布高度集中，无明显漂移与噪声突变。

图2基于sCMOS高速连续采集的相位噪声统计结果，展示时间相位稳定性与纳米级灵敏度来源

测量结果表明sCMOS相机可提供长时间高速稳定采集能力，低读出噪声与高量子效率直接体现在纳米级相位灵敏度上，为定量相位测量提供数据基础。

4.3 标准颗粒定量成像一致性验证

图3为10 μm聚苯乙烯微球sCMOS采集与相位重建结果。sCMOS相机清晰捕捉微球干涉信号，无信号丢失与畸变，重建后微球平均直径为10.48 μm，测量误差＜4%；平均相位峰值与理论值偏差亦＜4%。

图3 sCMOS相机采集的微球干涉信号及相位重建一致性统计，验证其在定量测量中的线性响应与稳定性

统计结果表明该sCMOS相机在弱干涉信号采集、高精度定量测量中具备高可靠性，可满足定量相位成像要求。

4.4 活细胞动态观测

图4为红细胞与HeLa细胞动态sCMOS成像序列，sCMOS相机以135 fps完成6.4 s连续无间断采集，精准捕捉红细胞渗透膨胀、凹陷扁平化，以及HeLa细胞快速收缩、膜结构破损与囊泡形成等毫秒级动态过程。

图4 sCMOS相机135 fps连续采集的细胞动态序列及干质量演化曲线，体现其在高速生物过程观测中的时间连续性

基于sCMOS高帧率时序数据，研究团队成功定量分析细胞中心区域干质量动态演变，实现活细胞无标记、实时、定量监测，体现sCMOS相机在快速生物动态事件捕获中具有相对优势。

5. 实验结论

I.本研究构建的基于并行四步相移的SE-SLIM定量相位成像系统，以sCMOS相机为核心数据采集节点，实现单次曝光条件下的四通道相移信息同步获取。

II.千眼狼（Revealer） Gloria 4.2 sCMOS相机的高帧率、低噪声、大面阵在并行四步相移定量相位成像系统中发挥了关键作用：

高帧率（135 fps） 使得单次曝光同时采集四幅相移图成为可能，将时间分辨率提升至传统SLIM的4倍，并实现对DMSO诱导下红细胞和HeLa细胞毫秒级形态变化的完整记录。同时低噪声特性支撑了纳米级相位灵敏度，大面阵（2048×2048）特性则保障了多窗口分割后的有效空间分辨率。

III.本研究表明，在并行四步相移定量相位成像架构中，sCMOS相机不再是可替换组件，而是决定系统是否能够实现单次曝光相位恢复的关键器件。

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