缅怀定量相位领域先驱Gabriel Popescu教授

致敬 Gabriel Popescu 教授

为致敬 Popescu 教授对定量相位成像和无标记成像的贡献，倍捷锐首席科学家、香港中文大学周仁杰副教授与合作者们于 2023 年开始筹办美国光学学会期刊定量相位成像特刊，借此传播 QPI 领域的新方法和新理论，并推广其应用。

Gabriel Popescu教授   1971-2022

Gabriel Popescu 教授，被亲切地称为 Gabi，于 2022 年 6 月 16 日因摩托车事故不幸离世，期间他在家乡罗马尼亚小镇 Prundu 度假。去世前他是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign: UIUC）电气与计算机工程系的 William L. Everitt 杰出教授。Gabi 分别于 1995 年和 1996 年在布加勒斯特大学（University of Bucharest: UB）获得物理学学士和硕士学位，然后于 2002 年在中佛罗里达大学光学与光子学学院（College of Optics and Photonics: CREOL）获得博士学位。2002 至 2007 年，他在麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology: MIT) George. R. Harrison 光谱实验室（SpecLab) 担任博士后研究员，期间受到 Michael S. Feld 教授的指导[1-3]。Gabi 于 2007 年加入 UIUC，并在 Beckman 高等科学技术研究所建立了定量光学成像实验室（Quantitative Light Imaging Lab: QLI Lab）。

作为国际公认的生物光子学研究领军人物以及定量相位成像领域（Quantitative Phase Imaging: QPI）的主要推动者，Gabi 被选为国际光学和光子学学会 （SPIE） 会士，美国光学学会（Optica）会士，以及美国医学与生物工程院（AIMBE）会士。他曾担任 Optics Express 和 Biomedical Optics Express 副主编以及 Journal of Biomedical Optics 编委会成员。此外，Popescu 教授与 YongKeun Park 教授合作，于2015年在 SPIE Photonics West 大会发起了第一届 QPI 国际会议，并将其发展成为 BIOS 论坛下最大的会议之一。因其在 QPI 和数字全息领域的重要贡献，Gabi 于 2022 年获得了 SPIE Dennis Gabor 奖。除了科研成就，Gabi 还于2009年创立了 Phi Optics 公司，积极推进 QPI 技术的产业化。在去世前，他也刚刚获得美国国立卫生研究院（National Institutes of Health: NIH）P41 项目（Biotechnology Resource Grants）资助，成立了Center for Label-free Imaging and Multiscale Biophotonics (CLIMB)，该中心致力于结合无标记成像和多尺度生物光子学技术，为生物医学研究提供更加深入和精确的成像分析方案。

美国光学学会期刊定量相位成像特刊

在 QPI 领域同行以及美国光学学会的支持下，倍捷锐首席科学家、香港中文大学周仁杰副教授领衔了美国光学学会期刊（Journal of the Optical Society of America A：JOSA A）“定量相位成像特刊”（Quantitative Phase Imaging feature issue, in honor of Gabriel Popescu）。特刊于 2024 年 11 月出版，发表了 17 篇高质量论文，远超最初目标，获得了圆满成功，其中包括 16 篇研究论文和 1 篇综述文章[4–20]。此外，周教授领衔撰写了1篇导论“Quantitative phase imaging: introduction[21]”和1篇纪念文“Our journey with Prof. Gabriel Popescu in quantitative phase imaging: in memoriam[22]”。特刊文章涵盖了 QPI 领域中的多样化主题，并深入探讨了其在生物医学应用中的重要价值。此外，特刊作者国家地区和机构高度多元化且多样化，国家地区包括罗马尼亚（Gabi 的祖国）、美国、中国、俄罗斯、英国、韩国、沙特阿拉伯、乌克兰、以色列、新加坡等；科研机构包括麻省理工学院、杜克大学、犹他大学、中科大、南京理工、诺丁汉大学、艾克斯-马赛大学、俄罗斯科学院、韩国科学技术院、新加坡南洋理工、特拉维夫大学、基辅大学等；以上充分体现出 QPI 已经成为一种重要且广泛使用的成像方式。

图1：定量相位成像特刊发表文章节选

图2：Popescu教授和周教授在SPIE Photonics West (旧金山，2016年)期间重聚；CLEO Pacific Rim（香港，2018年）会议期间重聚并参观周教授新近成立的实验室

与 Gabi 一起将 SLIM 扩展到白光衍射层析显微 (节选自Our journey with Prof. Gabriel Popescu in Quantitative Phase Imaging [22])

“2011 年我进入UIUC攻读博士，当时 Gabi 对他最近发明的 SLIM 技术感到无比兴奋，因其展示出显著的 3D 切片效果，但是我们仍缺乏理论解释。我对理解并模拟光学切片现象很感兴趣，于是展开了探索。从波动方程开始，我们对非均匀物体的散射场进行了求解，期间进行了无数次讨论（注意我的博士论文主题是半导体晶圆缺陷检测，与围绕 SLIM 的理论推导毫无关联）。我利用业余时间开展了理论推导，并在午餐时与 Gabi 讨论推导结果，或在上完 Gabi 的课之后，亦或在他晚上离开办公室之前。Gabi 为我提供了很多次免费午餐，作为一名学生，我非常感激。我记得有一天，接近傍晚时分，我们正在检查基于三维傅里叶变换的散射场推导（后来我们称之为波矢空间求解逆散射方法），我们感到无比兴奋，因为这些方程看起来真的很有意思。几天后，我无意间认真阅读了 Emil Wolf 教授于 1969 年发表的一篇论文[23]，发现与我们的推导结果完全一致。最初，我们计划发布简化版本的光学衍射断层理论，但后来我们认为这会分散注意力，因为我们仍然没有解决 SLIM 的切片问题。我们决定进一步推导，挣扎了很长一段时间后，我们考虑转而进行数值模拟。期间我们负责开发 3D 反卷积算法的合作者——Derin Babacan 博士，离开了 UIUC 。 随后 Taewoo Kim 博士正式加入了我们的讨论。有一天，我获得了针对宽带光照明的 3D 相干传递函数 （CTF）的精确解析解。这个解最初让 Gabi 感到费解，因为公式初看起来很怪异。在接下来的几天里，我们多次认真检查推导，却没发现什么问题。于是我们插入了宽带光谱和物镜数值孔径等实验参数，发现计算出的 3D CTF 和点扩散函数高度符合理论预期和实验结果，这使得该解析解对我们而言变得很有意义。该理论是白光衍射层析显微技术（White-light diffraction tomography: WDT）的重要组成部分，2013 年初我们将该成果投稿到了 Nature Photonics，很幸运于 2013 年底获得了发表[24]。年底我们庆祝了几天，然后 Gabi 提醒我们应该趁热打铁（就像他们在罗马尼亚和我们中国俗话所说的那样），立即继续其他的项目和论文。我相信 Gabi 很喜欢那个3D CTF 公式，因为我发现在 2022 年他获得 Dennis Gabor 奖时，这个公式出现在 SPIE 新闻图片中(见图三)。自从我离开 UIUC，我没有继续从事 WDT 相关工作，以避免与 Gabi 的研究发生冲突。”

图3：Popescu教授获得Dennis Gabor奖的新闻配图

总结

在数字全息技术和计算成像技术的推动下，定量相位成像革命性地提升了获取相位延迟的精度。在过去的二十年里，该领域取得了巨大的发展，在生物医学和材料计量学等领域的众多应用中发挥了重要作用。

美国光学学会期刊推出的纪念特刊不仅是对 Popescu 教授的卓越贡献和科学精神的致敬，还通过集中展示 QPI 的最新理论进展、技术方法和应用成果，进一步推动该领域的技术创新，以吸引更多年轻学者投身于 QPI 研究。

倍捷锐公司深切缅怀并致敬 Popescu 教授。作为 QPI 技术的产业化推动者，倍捷锐始终秉承创新精神，为 QPI 技术的创新与应用注入重要动力。

图1 来源于美国光学学会期刊官网

图2 来源于参考文献[22]

图3 来源于SPIE新闻主页，网址：

https://spie.org/news/gabriel-popescu-the-2022-spie-dennis-gabor-award-in-diffractive-optics

参考文献：

[1] R. Zhou "Learning Gabi's QPI and wisdom (Conference Presentation)", Proc. SPIE PC12389, Quantitative Phase Imaging IX, PC1238905; https://doi.org/10.1117/12.2662980. 

[2] G. Popescu, Quantitative Phase Imaging of Cells and Tissues (McGraw-Hill, New York, 2011)

[3] G. Popescu, T. Ikeda, R. R. Dasari, and M. S. Feld, "Diffraction phase microscopy for quantifying cell structure and dynamics," Opt. Lett. 31, 775-777 (2006)

[4] R. E. Highland, A. Rancu, H. Price, et al., “Multimodal segmentation of dynamic subcellular features using quantitative phase imaging and FRET-based sensors [Invited],” J. Opt. Soc. Am. A 41, C38–C48 (2024).

[5] G. Barbastathis, “Sensitivity fields and parameter estimation from dielectric objects [Invited],” J. Opt. Soc. Am. A 41, C82–C89 (2024).

[6] E. Y. Jeong, H.-J. Kim, S. Lee, et al., “Label-free long-term measurements of adipocyte differentiation from patient-driven fibroblasts and quantitative analyses of in situ lipid droplet generation,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C125–C136 (2024).

[7] J. Xie, H. Xie, C. Z. Kong, et al., “Quadri-wave lateral shearing interferometry: a versatile tool for quantitative phase imaging,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C137–C156 (2024).

[8] Y. Shu, J. Sun, Y. Fan, et al., “Diagonal illumination scheme for Fourier ptychographic microscopy: resolution doubling and aliasing minimization,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C62–C71 (2024).

[9] M. Haouat, C. Larivière-Loiselle, M.-È. Crochetière, et al., “Visualizing the fine structure and dynamics of living cells with temporal polychromatic digital holographic microscopy,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C109–C124 (2024).

[10] A. L. Harpring, S. Pradeep, and T. A. Zangle, “Comparison of automated and manual intracellular particle tracking using quantitative phase imaging,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C49–C54 (2024).

[11] A. V. Belashov, A. A. Zhikhoreva, A. V. Salova, et al., “SLIM-assisted automatic cartography of cell death types and rates resulting from localized photodynamic treatment,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C72–C81(2024).

[12] Z. Zhou, J. Zhang, Q. Fu, et al., “Linearized wavefront sensing model for aberration retrieval from low-frequency Fourier coefficients,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C55–C61 (2024).

[13] M. Kotov and A. Goloborodko, “Performance of a referencefree wavefront sensor based on the Talbot effect under Gaussian illumination,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C22–C27 (2024).

[14] W. Zhao, Z. Zhong, L. Liu, et al., “Single-shot dual-wavelength telecentric in-line-and-off-axis hybrid digital holography with non-prior reconstruction,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C1–C9 (2024).

[15] Y. Zhu, A. Tian, B. Liu, et al., “Error correction analysis of wavefront testing in quadriwave lateral shearing interferometry,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C10–C21 (2024).

[16] J. Fang, P. Liu, Z. J. Smith, et al., “Internally focused phase optical transfer function for spatial light interference microscopy,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C28–C37 (2024).

[17] L. Luria, I. Barnea, S. K. Mirsky, et al., “Resolution-enhanced quantitative phase imaging of blood platelets using a generative adversarial network,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C157–C164 (2024).

[18] G. Giugliano, D. Pirone, J. Behal, et al., “On the label-free analysis of white blood cells by holographic quantitative phase imaging flow cytometry,” J. Opt. Soc. Am. A (to be published).

[19] M. G. Somekh, K. Regules-Medel, and S. A. Abayzeed, “Common framework for surface plasmon binding and voltage sensing and microscopy with transmission line representation,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C90–C98 (2024).

[20] B. Wattellier, A. Saintoyant, J. Savatier, et al., “High-definition quadriwave lateral shearing interferometry,” J. Opt. Soc. Am. A 41, C99–C108 (2024).

[21] Chenfei Hu, Seung Ah Lee, Yang Liu, YongKeun Park, Peter T. C. So, and Renjie zhou, "Quantitative phase imaging: introduction," J. Opt. Soc. Am. A 41, QPI1-QPI2 (2024)

[22] C. Hu, X. Chen, and R. Zhou, “Our journey with Prof. Gabriel Popescu in quantitative phase imaging,” J. Opt. Soc. Am. A (to be published).

[23] E. Wolf, "Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data." Optics Communications. 1, 153-156 (1969).

[24] T. Kim, R. Zhou, M. Mir, S. D. Babacan, P. S. Carney, L. L. Goddard, and G. Popescu, "White light diffraction tomography of unlabelled live cells," Nat. Photon. 8, 256-263 (2014)