現(xiàn)代顯微鏡技術(shù)越來越要求在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高通量操作。對于透明或弱吸收的樣本，相位信息編碼了由折射率和厚度引起的光路長度的變化，因此是結(jié)構(gòu)和形態(tài)信息的主要載體[1]。因此，定量相位成像已成為無標(biāo)記顯微鏡的核心技術(shù)[[2], [3], [4], [5]]。然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，不可避免的不確定性（如機(jī)械漂移、參數(shù)偏差和探測器噪聲）常常會降低重建的保真度。盡管這些擾動在測量層面可能很微妙，但在反演過程中可能會被顯著放大，導(dǎo)致不穩(wěn)定性、偽影和精細(xì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的丟失。這種敏感性從根本上限制了定量相位成像在復(fù)雜樣本和長期采集場景中的可靠性[[6], [7], [8]]。多幀計算成像策略已被廣泛探索，以克服傳統(tǒng)顯微鏡中空間分辨率和視場之間的固有權(quán)衡[[9], [10], [11], [12], [13], [14]]。通過引入測量冗余性，這些方法將信息恢復(fù)從光學(xué)硬件轉(zhuǎn)移到計算反演，原則上可以實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)值重建[[15], [16], [17]]。然而，在實(shí)踐中，大多數(shù)現(xiàn)有的多幀相位成像方法依賴于精確的照明控制或嚴(yán)格的系統(tǒng)校準(zhǔn)。因此，它們的重建性能對模型不匹配非常敏感，即使是微小的實(shí)驗(yàn)波動也可能導(dǎo)致圖像質(zhì)量的迅速下降[18]。這種對理想化系統(tǒng)條件的依賴仍然是實(shí)際成像環(huán)境中魯棒部署的主要障礙。
因此，適用于高通量定量相位成像的成像機(jī)制應(yīng)滿足幾個基本標(biāo)準(zhǔn)。它應(yīng)該通過多次觀測引入足夠的冗余性以超越分辨率限制，同時避免依賴復(fù)雜的照明調(diào)制或嚴(yán)格的系統(tǒng)校準(zhǔn)。同時，它應(yīng)該在實(shí)際條件下保持結(jié)構(gòu)簡單性和長期穩(wěn)定性。受到這些要求的啟發(fā)，引入檢測路徑中隨機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)制的成像策略受到了越來越多的關(guān)注。通過隨機(jī)散射或結(jié)構(gòu)調(diào)制生成多個統(tǒng)計相關(guān)的測量值，這些方法在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜性的情況下增強(qiáng)了信息多樣性[19,20]。作為這一概念的代表性實(shí)現(xiàn)，衍射結(jié)構(gòu)調(diào)制（PSM）顯微鏡在檢測路徑中使用一個可橫向移動的薄散射調(diào)制器，將單次采集轉(zhuǎn)換為具有固有統(tǒng)計冗余性的調(diào)制強(qiáng)度測量值[21]。這種策略在不改變照明方案或物鏡配置的情況下，有效地擴(kuò)展了系統(tǒng)的通帶，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜樣本波前的超分辨率重建。由于重建主要取決于樣本平面處的出射波場，并且對照明分布和樣本厚度的依賴性較低，PSM顯微鏡與實(shí)際顯微鏡平臺的兼容性較好[22]。盡管具有理論潛力，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，重建穩(wěn)定性仍然有限。在調(diào)制器定位錯誤、系統(tǒng)建模不完整或測量噪聲存在的情況下，傳統(tǒng)的重建程序常常會出現(xiàn)偽影、對比度下降或收斂失敗[23]。
大多數(shù)現(xiàn)有的PSM顯微鏡重建方法采用像素域最大似然估計或交替投影方案，其中通過預(yù)測強(qiáng)度和測量強(qiáng)度之間的逐點(diǎn)匹配來強(qiáng)制多幀一致性[[24], [25], [26], [27]]。雖然這些方法在理想化模型和精確位移校準(zhǔn)下表現(xiàn)良好，但當(dāng)模型假設(shè)被違反時，它們的性能會迅速下降。重要的是，這種性能下降并不僅僅是由于算法效率低下或硬件缺陷。相反，它反映了在一致性建模方面的根本不匹配。在這種成像模式下，調(diào)制測量之間的冗余性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計等價性上，而不是嚴(yán)格的逐像素對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)使用像素級差異作為主要的一致性標(biāo)準(zhǔn)時，小的幾何擾動或噪聲波動會被放大，扭曲優(yōu)化景觀并加劇非凸相位恢復(fù)問題中的局部最小值[28]。在計算成像和相位恢復(fù)的相關(guān)領(lǐng)域，已經(jīng)證明特征域一致性在模型不確定性下提供了更穩(wěn)定的測量等價性表示[[29], [30], [31], [32], [33]]。這種方法不依賴于語義先驗(yàn)或數(shù)據(jù)驅(qū)動的推理，而是利用對平移、照明變化和適度噪聲不那么敏感的結(jié)構(gòu)特征表示。盡管在其他相位恢復(fù)場景中展示了其優(yōu)勢，但特征域一致性對PSM顯微鏡的相關(guān)性尚未得到系統(tǒng)性的研究。鑒于這種成像機(jī)制的強(qiáng)大之處在于多幀調(diào)制引起的統(tǒng)計冗余性，而不是精確的像素對齊，因此不應(yīng)將像素域一致性視為唯一的或必然的最佳約束。
基于這些考慮，本研究探討了將特征域一致性納入PSM顯微鏡重建中。在不修改潛在的物理正向模型的情況下，采用魯棒的結(jié)構(gòu)特征表示來量化預(yù)測觀測和測量觀測之間的差異，從而更忠實(shí)地捕捉調(diào)制幀之間的統(tǒng)計等價性。結(jié)合基于小批量復(fù)數(shù)值更新的多幀聯(lián)合優(yōu)化策略，這種方法在位移誤差和低信噪比條件下提高了重建穩(wěn)定性、對比度和空間分辨率。全面的仿真、分辨率目標(biāo)實(shí)驗(yàn)和生物樣本成像表明，特征域一致性對PSM顯微鏡具有顯著的好處。結(jié)果表明，這種一致性建模不是一種輔助的工程調(diào)整，而是一種與成像機(jī)制的冗余結(jié)構(gòu)本質(zhì)上一致的重建策略。這項(xiàng)研究為PSM顯微鏡的魯棒重建提供了新的見解，并為在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)不確定性下運(yùn)行的多幀計算成像系統(tǒng)中設(shè)計一致性模型提供了通用視角。
