数字全息显微实时超分辨技术的研究

课题研究应用光学超分辨率技术提高数字全息显微系统分辨率的方法，同时，解决数字全息显微术存在的分辨率和工作距离、焦深以及视场之间的矛盾；根据测量要求以及CCD的响应速度，利用平面复用技术，设计可记录微小物体在三维空间的运动或者变换过程且具有超高分辨率的显微记录系统，并研究实时再现算法，为探索活体微生物及细胞的行为学提供一种先进的观测手段。研究内容包括：1）设计和使用可变参数的衍射光学元件以简化记录系统，通过控制元件的参数，保证各子光束获得最佳的分光比；2）用数学建模的方法，根据物体的空间带宽积，研究最优化的子全息图复用方式；3）研究三维重构的实时算法，以及研究图像合成的快速算法；4）应用实时超分辨数字全息术，完成对活体生物细胞或微生物在培养液中各个时间点的活动状态的实时记录，并数字重现各个时间点被测物体的三维形貌。

数字全息显微术的极限分辨率被定义为0.61Lambda/NA，其中，Lambda为光源的波长，NA为显微成像系统的数值孔径，从该定义可知，选用大数值孔径的显微物镜可提高记录系统的分辨率。但是，使用大数值孔径的显微物镜就意味着记录系统的工作距离和焦深将会缩短，物方视场也会缩小。对显微物体的动态过程研究，不仅要求检测系统具有很高的分辨率，而且需要它具有较大的视场、景深、工作距离以及快速的采集速度，而普通的显微数字全息系统就很难满足这样的测量需求。传统的合成孔径通过在一个平面上多次移动CCD或者物体，将记录的信息合成，可以突破上述的分辨率极限，但它不可能记录动态过程。本项目从理论上分析了平面复用技术（包括：时分、波分和角分复用）实现合成孔径全息术的可行性，并从实验上对该理论进行了证明。利用超短脉冲作为光源，利用时分和角分复用技术不仅可以保证物体的高频和低频信息不会发生相互干扰，而且这些信息也能在再现过程中分离出来，通过合成物体的高、低频信息，记录系统的分辨率可以超出0.61 Lambda /NA。项目还提出了利用偏振复用技术避免记录过程中的相互干涉，利用角分复用技术分离再现像的记录系统的方法。以上两种方法都可以将空间分辨率提高一倍。此外，项目还设计了利用飞秒激光器为光源，波分、偏振和角分复用技术相结合，可以实现显微实时超分辨的数字全息记录系统，该系统的连续记录帧频和空间分辨率可提高一倍，时间分辨仍为飞秒量级。为简化记录系统，项目提出利用相位模板提高再现像分辨率的方法，根据物体信息在记录光路中插入相位模板，可以将部分不能进入系统孔径的信息改变传播方向，而被CCD记录，从而提高记录系统分辨率。为了能对相位板进行检测，项目还研究了利用CGH检测透明件误差的绝对检测方法，针对零位补偿CGH相位函数的多解性的难题，提出了逆向光线追迹法求解初始结构、正向光线追迹法优化实现全局寻优解的零位 CGH设计方法，可以快速得到高精度设计结果。项目还研究了衍射再现算法，利用这些算法可以获得任意放大倍数的再现像。利用上述的研究成果，项目将数字全息显微术用于对高分子化合物的动态记录，不仅具有高空间分辨率，而且可以实时记录。在项目的支持下，研究组共在国内外核心期刊发表论文10篇，3篇国际会议论文，1篇国内会议论文，申请专利3项，合著1部，其中被SCI检索的论文有9篇，EI检索论文有8篇。