超长景深单像素显微术及其应用研究

Single-pixel imaging (SPI) enables capturing target scenes using a bucket detector instead of array sensors. SPI possesses advantages of high signal-to-noise ratio, wide spectrum range and low cost over many traditional imaging techniques, fascinating potential applications in biomedical diagnostics, remote sensing and night vision, etc. In particular, single-pixel microscope might offer an important tool for study of flowing cells in vivo. However, conventional SPI suffers a rapidly degrading resolution with distance from the focal plane, and maintaining high resolution over a large axial range remains a key challenge. Here, we propose novel single-pixel microscopy with extended depth of field by using propagation invariant structured illumination. Further, the single-pixel microscope will be exploited for flowing cells imaging to achieve visual inspection of label-free individual cells, opening up new perspectives for quantitative study of living cells and relevant biomedical applications. Additionally, the propagation invariant structured illumination method may be further exploited for 3D structured illumination microscopy and light sheet microscopy.

相比于传统成像技术，单像素成像利用筒状探测器替代面阵探测实现对目标场景的高质量成像，具有高信噪比、宽谱响应和低成本等优势，因此在生物医学诊断、遥感和夜视等研究领域具有重要的应用价值。特别是，基于单像素探测的显微镜有望发展成为活体细胞研究的重要工具。然而，在单像素显微成像中，随着被测样品偏离焦平面距离增加，成像分辨率迅速降低。所以，沿着轴向宽范围内保持高分辨率是单像素成像技术走向实用化面临的一个重大挑战。本项目提出利用传播不变结构光照明的方法克服传统单像素成像难以在轴向宽范围保持高分辨这个问题，实现超长景深的单像素显微术。此外，项目还进一步研究这种新型单像素显微成像在单个流动细胞成像中的应用，实现活体流动细胞的无标记检测，为细胞的定量研究及其生物医学应用提供新的研究手段。这种传播不变结构光照明方法可进一步开发应用于三维结构光照明显微成像和光片照明显微成像等其他成像技术中以提高成像性能。

相比于传统成像技术，单像素成像利用筒状探测器替代面阵探测和计算重构对目标场景实现高质量成像，具有高信噪比、宽谱响应和低成本等优势。然而在目前的单像素成像中，随着被测样品偏离焦平面距离增加，成像分辨率迅速降低，本项目旨在解决单像素成像中景深有限问题。为此，项目提出利用传播不变结构光照明的方法克服传统单像素成像难以在轴向宽范围保持高分辨这个问题，实现超长景深的单像素显微术，景深提高了约20倍。此外，我们还发展了基于单像素探测的相位成像方法，该方法利用结构光照明和单像素探测物体傅里叶频谱来解析物体相位信息，并以此为基础进一步开发了单像素相衬成像方法，同时实现了振幅和相位型物体的边缘成像。实验上，我们构建了基于数字微镜器件的单像素显微镜，验证了超长景深的成像效果，应用于流动细胞成像，实现了相位物体成像和复振幅物体的边缘检测。特别地，我们还研制了基于三维傅里叶频谱采集的三维单像素显微镜，并申请了国家发明专利。项目中研发的新型单像素成像方法和技术有望在生物医学诊断、遥感和夜视等研究领域产生重要的应用价值。