封面解读
封面展示了激光干涉定量相位显微成像技术（iQPM）的概念图。iQPM通过捕捉激光干涉图并结合相位恢复算法，精确提取复合光场的相位延迟信息，从而实现对结构的精准测量。随着近年来高灵敏度iQPM技术的发展，科研人员已经实现了对小至原子尺度的材料特性进行精确表征。图中展示了高灵敏度iQPM在单原子层材料表征中的应用。展望未来，iQPM灵敏度的进一步提升有望促进科学家们对微观世界的探索和发现，揭示更小尺度下材料的功能特性和动态行为。
撰稿人：周楠森
论文题目：高灵敏度干涉定量相位显微前沿进展与应用(封面文章·特邀)
作者：周楠森1，吴沐蕾1，聂宇洁2，程加雨1,3，周仁杰1
完成单位：1.香港中文大学 生物医学工程系；2.深圳市倍捷锐生物医学科技有限公司；3.南开大学 物理科学学院
导读
想象一下，一台显微镜，不仅能帮助我们看到细胞内部的微观结构，还能精确测量原子尺度的细节。这听起来像是科幻，但如今的光学显微技术正在逐渐让这些成为现实。
研究背景
技术亮点
iQPM系统构造和影响灵敏度的噪声来源
iQPM结合了宽场光学显微技术和激光干涉技术，下图展示了由三种典型的干涉仪组成的iQPM系统，包括基于马赫-曾德尔干涉仪的透射式系统 (分为移相干涉仪和离轴干涉仪) 与基于林尼克干涉仪的反射式系统。围绕高灵敏度成像的主题，文章从相位时间灵敏度和空间灵敏度的定义出发，详细分析了在相位测量过程中影响灵敏度的各种噪声来源。这些噪声包括探测噪声(如光子散粒噪声，暗噪声、读出噪声)、机械振动噪声、散斑噪声，以及空气扰动，光源不稳定性产生的噪声等。值得注意的是，在假设无环境干扰和光源稳定的理想条件下，系统噪声存在光子散粒噪声的固有限制，因此文章还回顾了受限于光子散粒噪声的时间相位灵敏度极限理论。
图1 iQPM 原理与系统示意图
相位灵敏度提升策略
在噪声源分析的基础上，文章推导了时空相位灵敏度理论，并提供了提升iQPM灵敏度的关键步骤：首先，通过降低环境扰动（如背景噪声）对干涉测量的影响来提高整体系统稳定性；其次，提升照明光强并缩短曝光时间，以使得相机的读出噪声和暗噪声影响降到最低，从而使光子散粒噪声成为主导噪声源；最后，通过优化照明模块调制光源相干性，以减少散斑噪声的影响。
此外，文章回顾并总结了近年来在干涉光路设计、探测和照明等方面的突破性工作和最新进展，这些技术显著提升了相位灵敏度，特别是在环境噪声抑制、探测噪声抑制和散斑噪声抑制方面的创新工作。通过这些技术改进，iQPM的时间相位灵敏度已经突破到2皮米（pm）的水平。下图总结了相位灵敏度提升策略与灵敏度提升发展历程。
图2 iQPM相位灵敏度提升策略
图3 iQPM相位灵敏度提升发展历程
高灵敏度iQPM的应用
相位灵敏度的突破使得iQPM在诸多前沿领域展现了应用潜力。文章梳理了高灵敏度iQPM在血细胞分析、神经成像、原子材料厚度计量和晶圆缺陷检测等前沿应用领域的进展。例如在血细胞分析中，iQPM可以实时精准测量红细胞膜位移；在材料科学中，它能够以高速和高精度测量二维材料的厚度分布；而在半导体制造中，高灵敏度iQPM能够实现9 nm节点的IDA晶圆缺陷检测。这些技术进展不仅为iQPM带来了更广阔的应用前景，也推动了相关领域的技术革新与发展。
图4 红细胞的纳米级膜位移实时测量
图5 二维材料厚度分布测量（左：单层MoS2; 右：多层WSe2）
结论与展望
