本文的研究团队主要来自浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室、浙江省自主光电感知重点实验室、浙江大学光学科学与工程学院以及浙江大学杭州国际科创中心。通讯作者为Yubing Han、Kai Wei和Mingwei Tang。合作者还包括来自丹麦南丹麦大学纳米光学中心的Sergey I. Bozhevolnyi教授。这项研究工作发表在*Laser & Photonics Reviews*期刊上，在线发表日期为2025年。

这项研究属于生物医学成像与计算光学交叉领域。在生物医学研究和诊断中，对生物样本进行全面的、多维度的结构信息分析对于阐明复杂的生物过程至关重要。传统的多模态成像技术，特别是那些集成了明场成像、边缘增强成像和定量相位成像（Quantitative Phase Imaging, QPI）的无标记成像技术，虽然能提供样本在原生状态下的互补信息（如基于吸收的形态学评估、通过光学梯度增强透明结构对比度、以及定量测量光程差以反映细胞干质量、厚度和折射率分布等关键生物物理参数），但其临床应用常受限于复杂的光路设计和庞大的硬件系统，难以满足床旁诊断和便携式医疗的需求。近年来，液晶（Liquid Crystal, LC）作为一种可调谐光子器件平台，凭借其轻薄、可电控调节、能灵活调制光的偏振或相位（尤其是几何相位）等特性，为开发紧凑型光学系统提供了可能。然而，先前的研究多采用多个分立光学元件实现单一功能（如边缘增强成像），系统复杂，且难以在同一平台上集成多维信息提取与多种成像模式（如QPGI和QPI）。因此，本研究旨在解决这一瓶颈，开发一种高度集成、可电切换多模式、适用于生物样本无标记观测和定量分析的多功能计算成像平台。

本研究的工作流程系统而完整，主要包括以下几个关键环节： 首先，是核心器件的设计与制备。研究团队提出并设计了一种基于两个级联电可调液晶元件（X-LC和Y-LC）的多功能计算成像平台。其基本原理是利用液晶分子的空间变化双折射特性，实现自旋相关的光束分裂（即左旋和右旋圆偏振光分束），从而通过干涉实现光学微分运算。器件的各向异性和各向同性状态可通过外加电压切换：当施加半波电压（V0=7.5V）时，液晶分子呈面内周期性排列，作为偏振光栅工作，实现微分成像；当施加高于阈值（Vth）的电压时，液晶分子沿光传播方向排列，形成各向同性介质，实现明场成像。研究人员采用光配向技术在玻璃基底上制备了工作波长为532 nm、光栅周期Λ=10 mm的液晶元件。制备过程包括在玻璃基底上磁控溅射氧化铟锡（ITO）薄膜作为电极，旋涂光配向剂SD1，组装液晶盒（盒厚6 μm），填充向列相液晶混合物（LC-BYE7），最后进行紫外曝光固化。这种方法相比传统的超构表面加工技术更易于大规模生产。研究团队对制备的液晶元件进行了详细表征，包括偏振显微镜成像验证分子取向分布、测试不同电压下的工作状态（微分与明场切换），并测量了模式切换速度（从微分到明场190毫秒，从明场到微分746毫秒），证明了其快速电调谐能力。

其次，是成像系统的搭建与原理验证。研究团队将所设计的级联LC模块（X-LC和Y-LC）集成到传统显微镜的样品与物镜之间，构成一个共光路系统。这种设计显著减小了系统体积并增强了稳定性。通过编程控制施加在X-LC和Y-LC上的电压组合，系统可在四种模式间灵活切换：当两者电压均高于Vth时，为明场成像；当X-LC加V0、Y-LC加Vth时，实现X方向一维边缘检测；反之则实现Y方向一维边缘检测；通过快速交替切换电压并叠加两幅一维边缘图像，可获得二维边缘增强图像。为了验证边缘检测功能，研究使用电子束光刻技术在PMMA薄膜上制作的纯相位样品（星形图案）进行了测试。实验在650 nm、532 nm和445 nm多波长照明下进行，成功获取了对应波长下的明场图像、X/Y方向一维边缘图像以及叠加后的二维边缘图像。强度分布曲线清晰显示，在明场图像中难以分辨的相位物体边缘，在边缘检测图像中呈现为强烈的信号峰，验证了系统对纯相位样本边缘检测的高灵敏度和精确性。

第三，是定量相位梯度成像（QPGI）和定量相位成像（QPI）功能的实现。这是本研究超越简单边缘检测的重要进阶。为了实现纯相位信息的精确提取，研究采用了一个内置微偏振器阵列（方向为0°, 45°, 90°, 135°）的偏振相机。在LC元件处于微分工作状态时，该相机可同时捕获四幅具有不同相位延迟的强度图像。利用四步相移法，可以从这四幅图像中计算出沿X或Y方向的精确相位梯度（QPGI）。具体公式为：Gx ≈ (1/(2δx)) * arctan((I2 - I4)/(I1 - I3))，其中δx为剪切距离，Ii为四幅强度图。获得两个正交方向的QPGI图像（Gx和Gy）后，通过求解二维泊松方程（相当于从梯度恢复相位），并利用基于傅里叶变换的相位恢复算法，可以重建出完整的定量相位图像（QPI）。研究团队报告，对于一幅1000×1000的图像，在配备R7-5800H CPU的台式机上使用Python进行重建仅需约0.4秒，具备了准实时处理能力。为了验证QPGI和QPI的准确性，研究使用光刻法制备了已知形貌的PMMA相位样品（包括交叉网格图案用于校准），并采用原子力显微镜（AFM）测量其真实高度分布作为基准。实验结果显示，系统重建的QPI图像与AFM测量计算得到的真实相位分布高度吻合。通过对三个不同图案的样品进行定量分析，计算了均方根误差（RMSE）和结构相似性（SSIM），例如其中一个样品的RMSE为0.1950，SSIM为0.9445，证明了该系统定量相位成像的准确性。

第四，是生物样本的多模态成像应用演示。这是检验平台实用价值的关键步骤。研究团队选取了三种不同类型的生物样本进行成像：1) 植物细胞（洋葱表皮细胞）：将其置于不同浓度（0%， 2%， 4%， 8%）的NaCl溶液中，诱导不同程度的质壁分离现象。明场成像仅能提供模糊的细胞轮廓；边缘增强成像则能清晰勾勒出细胞壁、细胞质和细胞核的边界；而QPI不仅能显示细胞质厚度变化，还能通过相位值（反映折射率和干质量）的变化，清晰区分细胞壁、收缩的细胞质以及质壁分离产生的间隙，即使在严重质壁分离导致细胞质剧烈不规则收缩时也能清晰分辨。2) 动物组织（小鼠脑切片）：对大脑不同区域（如灰质区、海马区、灰质与白质交界区）进行成像。QPI结果清晰地展示了不同脑区的结构特征：灰质区神经元分布无序且不规则，海马区神经元排列紧密有序呈层状，而灰质（上半部，神经元胞体密度高，相位值高）与白质（下半部，主要为髓鞘和轴浆，细胞密度低，相位值低）之间也形成了鲜明的相位对比。3) 活体动物细胞（U2OS细胞）：对细胞在胰蛋白酶-EDTA溶液处理下的脱落过程进行了长达24分钟的时间序列动态成像。多模态成像完整记录了细胞逐渐收缩、细胞体与背景之间相位差逐渐增大直至稳定的动态过程，证明了该系统适用于活细胞长期、无标记的动态观测。

本研究的主要结论是，成功开发并实验验证了一种基于级联有源液晶元件的多功能计算成像平台。该平台通过电编程控制，可在同一紧凑系统中动态切换明场成像、边缘增强成像、定量相位梯度成像（QPGI）和定量相位成像（QPI）四种模式，实现了对生物样本的无标记、多维度、定量化观测与分析。其共光路设计简化了系统结构，实现了“即插即用”的便捷性。

该研究的科学价值与应用价值显著。在科学上，它提供了一种高度集成化的解决方案，克服了传统多模态成像系统复杂、笨重的缺点，为在原生状态下全面表征细胞和组织（包括形态、生物物理特性及动态过程）提供了强大工具，特别有利于活细胞研究（如细胞周期监测、迁移追踪、药物反应评估）、无标记数字病理学和细胞生物物理学研究。在应用上，其紧凑、可切换、无标记的特性使其在床旁诊断、便携式医疗设备、工业检测、高精度光学测量以及实时模拟光学处理等领域具有广阔前景。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1) 高度集成与多功能性：首次在单一平台上，仅通过两个电控LC元件，实现了从明场到边缘检测再到定量相位成像的四种模式无缝切换，集成度前所未有。2) 创新的共光路计算成像设计：不同于传统需要傅里叶面处理的双光路微分器，本设计的共光路架构无需精密对准，极大提升了系统稳定性和实用性，并显著缩小了体积。3) 实现了准确的定量相位成像：不仅限于定性边缘增强，本研究通过偏振相机和相位恢复算法，成功实现了对纯相位样本的精确QPGI和QPI，并将该功能与边缘检测、明场成像有机整合。4) 成功的生物应用验证：在植物细胞、动物组织和活体动物细胞等多种生物样本上进行了全面的多模态成像演示，特别是动态活细胞成像，充分证明了其生物医学应用的可行性和价值。5) 器件的可编程性与快速响应：基于LC的电调谐特性，模式切换速度快（百毫秒量级），为动态场景和快速模式轮询提供了可能。

此外，文章在讨论部分还展望了未来的改进方向，例如通过使用高速LC分子或谐振结构来进一步提升切换速度；探索在LC平台上集成光学积分、卷积等更复杂的模拟计算功能，结合人工智能算法实现实时全光学处理；通过采用更薄的基底以兼容高数值孔径物镜，或结合超分辨成像方法，来提升空间分辨率；以及开发具有更复杂响应特性的LC器件，以实现高阶微分、像差校正乃至光学神经网络等更高级的功能。这些展望为该技术的持续发展指明了潜在路径。