基于结构光照明的数字全息显微研究

This project aims at investigating the Digital Holographic Microscopy (DHM) with super-resolution and slicing imaging ability based on structured illumination. Two kinds of structured illuminations, i.e., fringe structured illumination and random-phase illumination, are generated by a spatial light modulator (SLM), and are used for the illumination of DHM. Commom-path DHM configuration is constructed by doubling the object wave via a diffraction grating and filtering one copy by a pinhole. Fringe strucuted illumination and random-phase illumiantions enable to enhance the spatial resolution of DHM by two folds via synthesizing a larger numerical aperture. Unlike the traditional structured illumination microscopy, which can only be used for amplitude specimen, the proposed method can be used for both amplitude and phase specimen. Besides,the fringe and random-phase structured illuminations will be investigated for autofocusing and slicing imaging of DHM. Above all, this research proposal will contribute significantly to developing a high-performance DHM and unlocking the potential of the application of the structured-illumination DHM.

本项目旨在研究基于结构光照明的超分辨数字全息显微(DHM)方法。由空间光调制器(SLM)产生两种不同的结构照明光(条纹结构照明光和随机相位结构照明光)用于照明样品。利用光栅衍射和针孔滤波构建物参共路的点衍射DHM装置，克服环境扰动对DHM测量和成像结果的影响。条纹结构照明和随机相位结构照明通过"合成数值孔径"，可将DHM空间成像分辨率提高一倍。与传统结构照明显微方法相比,本方法除了可以对振幅型物体进行超分辨成像,还可以对相位型物体进行超分辨成像。同时,这两种结构照明光还可以实现DHM的自动调焦和纵向层析成像。该研究将为高性能、实用化数字全息显微镜的开发和应用打下良好的理论和技术基础。

数字全息显微(DHM)与传统显微方法相比，能够通过相位测量获得微观物体的三维形貌或透明物体的折射率分布，对样品没有特殊要求（如不需要荧光标记、不需要制作导电电极等），具有全场测量、测量速度快的优点，在透明活体生物细胞三维形貌和折射率分布测量，及其动态变化过程的研究中发挥着重要作用。但传统的DHM采用平行光照明，其空间分辨率受到物镜数值孔径的限制，不能完全满足生物医学对细胞超精细结构观测的需求。本项目提出并研究了基于结构光照明的数字全息显微(SI-DHM)方法，由空间光调制器(SLM)产生结构光（条纹结构光和随机相位结构光）来照明样品，通过“合成数值孔径”，将DHM的空间成像分辨率提高了一倍。与传统的结构照明显微镜相比，该方法不仅可以对振幅物体进行超分辨成像，还可以对相位物体进行超分辨成像。同时，条纹结构照明和随机相位结构光照明DHM还实现了自动调焦和层析成像。除此之外，还提出一种无相移的结构照明数字全息显微方法，一种单次曝光双波长数字全息的相位无包裹恢复方法，和一种轻离轴盲相移LED照明的数字全息显微方案。本研究为高性能实用化数字全息超分辨显微镜的开发和应用打下了良好的理论和技术基础。.项目执行期间发表SCI论文19篇，一篇入选JO封面文章，2篇入选IOP年度Highlight文章，一篇入选《激光与光电子学进展》优秀论文；撰写英文专著章节3部；授权发明专利5项；组织国际会议1次，在国内外学术会议做特邀报告18次。负责人获日本“高速成像奖”，2次获中国科学院优秀导师奖；培养毕业博士生5名，一人获中科院院长特别奖，一人获得中科院优秀博士论文奖，一人获陕西省优秀博士论文奖，一人获SPIE光学与光子学教育奖学金，一人获全国光学工程学科优秀博士学位论文奖。团队2016年获中国光学工程学会科技创新二等奖。项目派出2人到德国斯图加特大学和明斯特大学进行访学研究；派出2名博士到德国斯图加特大学和耶拿大学进行联合培养；吸引埃及国家标准化研究所一名博士后来开展数字全息合作研究。