Abstract

We present white light diffraction phase microscopy (wDPM) as a quantitative phase imaging method that combines the single shot measurement benefit associated with off-axis methods, high temporal phase stability associated with common path geometries, and high spatial phase sensitivity due to the white light illumination. We propose a spatiotemporal filtering method that pushes the limit of the pathlength sensitivity to the subangstrom level at practical spatial and temporal bandwidths. We illustrate the utility of wDPM with measurements on red blood cell morphology and HeLa cell growth over 18 hours.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. G. Popescu, Quantitative Phase Imaging of Cells and Tissues (McGraw-Hill, 2011).
  2. C. Depeursinge, in Digital Holography and Three-Dimensional Display, T.-C. Poon, ed. (Springer, 2006), p. 98.
  3. T. Ikeda, G. Popescu, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Lett. 30, 1165 (2005).
    [CrossRef]
  4. D. Zicha and G. A. Dunn, J. Microsc. 179, 11 (1995).
    [CrossRef]
  5. W. C. Warger and C. A. DiMarzio, Opt. Express 17, 2400 (2009).
    [CrossRef]
  6. G. Popescu, L. P. Deflores, J. C. Vaughan, K. Badizadegan, H. Iwai, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Lett. 29, 2503 (2004).
    [CrossRef]
  7. G. Popescu, T. Ikeda, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Lett. 31, 775 (2006).
    [CrossRef]
  8. Z. Wang, L. J. Millet, M. Mir, H. Ding, S. Unarunotai, J. A. Rogers, M. U. Gillette, and G. Popescu, Opt. Express 19, 1016 (2011).
    [CrossRef]
  9. A. Barty, K. A. Nugent, D. Paganin, and A. Roberts, Opt. Lett. 23, 817 (1998).
    [CrossRef]
  10. H. F. Ding and G. Popescu, Opt. Express 18, 1569 (2010).
    [CrossRef]
  11. Z. Wang, D. L. Marks, P. S. Carney, L. J. Millet, M. U. Gillette, A. Mihi, P. V. Braun, Z. Shen, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Opt. Express 19, 19907 (2011).
    [CrossRef]
  12. Y. K. Park, G. Popescu, K. Badizadegan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Express 14, 8263 (2006).
    [CrossRef]
  13. Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
    [CrossRef]
  14. Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
    [CrossRef]
  15. Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
    [CrossRef]
  16. H. Ding, Z. Wang, F. Nguyen, S. A. Boppart, and G. Popescu, Phys. Rev. Lett. 101, 238102 (2008).
    [CrossRef]
  17. Z. Wang and G. Popescu, Appl. Phys. Lett. 96, 051117 (2010).
    [CrossRef]
  18. Z. Wang, I. S. Chun, X. L. Li, Z. Y. Ong, E. Pop, L. Millet, M. Gillette, and G. Popescu, Opt. Lett. 35, 208 (2010).
    [CrossRef]
  19. R. Barer, Nature 169, 366 (1952).
    [CrossRef]
  20. H. G. Davies and M. H. Wilkins, Nature 169, 541 (1952).
    [CrossRef]
  21. M. Mir, Z. Wang, Z. Shen, M. Bednarz, R. Bashir, I. Golding, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13124 (2011).
    [CrossRef]

2011

2010

Z. Wang and G. Popescu, Appl. Phys. Lett. 96, 051117 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

H. F. Ding and G. Popescu, Opt. Express 18, 1569 (2010).
[CrossRef]

Z. Wang, I. S. Chun, X. L. Li, Z. Y. Ong, E. Pop, L. Millet, M. Gillette, and G. Popescu, Opt. Lett. 35, 208 (2010).
[CrossRef]

2009

2008

Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
[CrossRef]

H. Ding, Z. Wang, F. Nguyen, S. A. Boppart, and G. Popescu, Phys. Rev. Lett. 101, 238102 (2008).
[CrossRef]

2006

2005

2004

1998

1995

D. Zicha and G. A. Dunn, J. Microsc. 179, 11 (1995).
[CrossRef]

1952

R. Barer, Nature 169, 366 (1952).
[CrossRef]

H. G. Davies and M. H. Wilkins, Nature 169, 541 (1952).
[CrossRef]

Auth, T.

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

Badizadegan, K.

Barer, R.

R. Barer, Nature 169, 366 (1952).
[CrossRef]

Barty, A.

Bashir, R.

M. Mir, Z. Wang, Z. Shen, M. Bednarz, R. Bashir, I. Golding, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13124 (2011).
[CrossRef]

Bednarz, M.

M. Mir, Z. Wang, Z. Shen, M. Bednarz, R. Bashir, I. Golding, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13124 (2011).
[CrossRef]

Best, C. A.

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
[CrossRef]

Boppart, S. A.

H. Ding, Z. Wang, F. Nguyen, S. A. Boppart, and G. Popescu, Phys. Rev. Lett. 101, 238102 (2008).
[CrossRef]

Braun, P. V.

Carney, P. S.

Choi, W.

Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
[CrossRef]

Chun, I. S.

Dasari, R. R.

Davies, H. G.

H. G. Davies and M. H. Wilkins, Nature 169, 541 (1952).
[CrossRef]

Deflores, L. P.

Depeursinge, C.

C. Depeursinge, in Digital Holography and Three-Dimensional Display, T.-C. Poon, ed. (Springer, 2006), p. 98.

Diez-Silva, M.

Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
[CrossRef]

DiMarzio, C. A.

Ding, H.

Ding, H. F.

Dunn, G. A.

D. Zicha and G. A. Dunn, J. Microsc. 179, 11 (1995).
[CrossRef]

Feld, M. S.

Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
[CrossRef]

Y. K. Park, G. Popescu, K. Badizadegan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Express 14, 8263 (2006).
[CrossRef]

G. Popescu, T. Ikeda, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Lett. 31, 775 (2006).
[CrossRef]

T. Ikeda, G. Popescu, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Lett. 30, 1165 (2005).
[CrossRef]

G. Popescu, L. P. Deflores, J. C. Vaughan, K. Badizadegan, H. Iwai, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Lett. 29, 2503 (2004).
[CrossRef]

Gillette, M.

Gillette, M. U.

Golding, I.

M. Mir, Z. Wang, Z. Shen, M. Bednarz, R. Bashir, I. Golding, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13124 (2011).
[CrossRef]

Gov, N.

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

Henle, M. L.

Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
[CrossRef]

Ikeda, T.

Iwai, H.

Kuriabova, T.

Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
[CrossRef]

Levine, A. J.

Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
[CrossRef]

Li, X. L.

Lykotrafitis, G.

Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
[CrossRef]

Marks, D. L.

Mihi, A.

Millet, L.

Millet, L. J.

Mir, M.

Z. Wang, L. J. Millet, M. Mir, H. Ding, S. Unarunotai, J. A. Rogers, M. U. Gillette, and G. Popescu, Opt. Express 19, 1016 (2011).
[CrossRef]

M. Mir, Z. Wang, Z. Shen, M. Bednarz, R. Bashir, I. Golding, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13124 (2011).
[CrossRef]

Nguyen, F.

H. Ding, Z. Wang, F. Nguyen, S. A. Boppart, and G. Popescu, Phys. Rev. Lett. 101, 238102 (2008).
[CrossRef]

Nugent, K. A.

Ong, Z. Y.

Paganin, D.

Park, Y. K.

Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
[CrossRef]

Y. K. Park, G. Popescu, K. Badizadegan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Express 14, 8263 (2006).
[CrossRef]

Pop, E.

Popescu, G.

M. Mir, Z. Wang, Z. Shen, M. Bednarz, R. Bashir, I. Golding, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13124 (2011).
[CrossRef]

Z. Wang, L. J. Millet, M. Mir, H. Ding, S. Unarunotai, J. A. Rogers, M. U. Gillette, and G. Popescu, Opt. Express 19, 1016 (2011).
[CrossRef]

Z. Wang, D. L. Marks, P. S. Carney, L. J. Millet, M. U. Gillette, A. Mihi, P. V. Braun, Z. Shen, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Opt. Express 19, 19907 (2011).
[CrossRef]

Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
[CrossRef]

Z. Wang and G. Popescu, Appl. Phys. Lett. 96, 051117 (2010).
[CrossRef]

H. F. Ding and G. Popescu, Opt. Express 18, 1569 (2010).
[CrossRef]

Z. Wang, I. S. Chun, X. L. Li, Z. Y. Ong, E. Pop, L. Millet, M. Gillette, and G. Popescu, Opt. Lett. 35, 208 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

H. Ding, Z. Wang, F. Nguyen, S. A. Boppart, and G. Popescu, Phys. Rev. Lett. 101, 238102 (2008).
[CrossRef]

Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
[CrossRef]

Y. K. Park, G. Popescu, K. Badizadegan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Express 14, 8263 (2006).
[CrossRef]

G. Popescu, T. Ikeda, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Lett. 31, 775 (2006).
[CrossRef]

T. Ikeda, G. Popescu, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Lett. 30, 1165 (2005).
[CrossRef]

G. Popescu, L. P. Deflores, J. C. Vaughan, K. Badizadegan, H. Iwai, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Opt. Lett. 29, 2503 (2004).
[CrossRef]

G. Popescu, Quantitative Phase Imaging of Cells and Tissues (McGraw-Hill, 2011).

Prasanth, S. G.

Z. Wang, D. L. Marks, P. S. Carney, L. J. Millet, M. U. Gillette, A. Mihi, P. V. Braun, Z. Shen, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Opt. Express 19, 19907 (2011).
[CrossRef]

M. Mir, Z. Wang, Z. Shen, M. Bednarz, R. Bashir, I. Golding, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13124 (2011).
[CrossRef]

Roberts, A.

Rogers, J. A.

Safran, S. A.

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

Shen, Z.

M. Mir, Z. Wang, Z. Shen, M. Bednarz, R. Bashir, I. Golding, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13124 (2011).
[CrossRef]

Z. Wang, D. L. Marks, P. S. Carney, L. J. Millet, M. U. Gillette, A. Mihi, P. V. Braun, Z. Shen, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Opt. Express 19, 19907 (2011).
[CrossRef]

Suresh, S.

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
[CrossRef]

Unarunotai, S.

Vaughan, J. C.

Wang, Z.

Warger, W. C.

Wilkins, M. H.

H. G. Davies and M. H. Wilkins, Nature 169, 541 (1952).
[CrossRef]

Zicha, D.

D. Zicha and G. A. Dunn, J. Microsc. 179, 11 (1995).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

Z. Wang and G. Popescu, Appl. Phys. Lett. 96, 051117 (2010).
[CrossRef]

J. Microsc.

D. Zicha and G. A. Dunn, J. Microsc. 179, 11 (1995).
[CrossRef]

Nature

R. Barer, Nature 169, 366 (1952).
[CrossRef]

H. G. Davies and M. H. Wilkins, Nature 169, 541 (1952).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. Lett.

H. Ding, Z. Wang, F. Nguyen, S. A. Boppart, and G. Popescu, Phys. Rev. Lett. 101, 238102 (2008).
[CrossRef]

Proc Natl. Acad. Sci. USA

Y. K. Park, M. Diez-Silva, G. Popescu, G. Lykotrafitis, W. Choi, M. S. Feld, and S. Suresh, Proc Natl. Acad. Sci. USA 105, 13730 (2008).
[CrossRef]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA

M. Mir, Z. Wang, Z. Shen, M. Bednarz, R. Bashir, I. Golding, S. G. Prasanth, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 13124 (2011).
[CrossRef]

Y. K. Park, C. A. Best, K. Badizadegan, R. R. Dasari, M. S. Feld, T. Kuriabova, M. L. Henle, A. J. Levine, and G. Popescu, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 6731 (2010).
[CrossRef]

Y. K. Park, C. A. Best, T. Auth, N. Gov, S. A. Safran, G. Popescu, S. Suresh, and M. S. Feld, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1289 (2010).
[CrossRef]

Other

G. Popescu, Quantitative Phase Imaging of Cells and Tissues (McGraw-Hill, 2011).

C. Depeursinge, in Digital Holography and Three-Dimensional Display, T.-C. Poon, ed. (Springer, 2006), p. 98.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

Experimental setup.

Fig. 2.
Fig. 2.

Spatiotemporal noise stability of wDPM. (a) Spatial pathlength noise distribution in a single frame. (b) Spatiotemporal pathlength noise histogram in nanometers. (c) Spatiotemporal power spectral density in log scale at ky=0. (d) Spatiotemporal power spectral density in log scale at ky=2π. Color bar represents spatiotemporal spectrum of the pathlength in nm2/[(rad/s)(rad/μm)2].

Fig. 3.
Fig. 3.

Reconstructed phase image of (a) wDPM image of a polystyrene micro-bead of diameter 2.9 μm. (b) Live red blood cells. (c) Variation of dry mass with time for an isolated HeLa cell during its growth. (d) Time lapse quantitative phase images of the same HeLa cell at T=2 hours. (e) Time lapse quantitative phase images of the same HeLa cell at T=16 hours. Color bars represent phase in radians and arrows point to nucleoli.

Equations (4)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

δφ(x,y,t)=φ(x,y,t)φ0(x,y).
ϕ(k,ω)=α|Aδφ(r,t)ei(ωtk·r)dtd2r|2,
n(x,y)=n0+ηC(x,y),
ρ(x,y)=λ2πηφ(x,y),

Metrics