基于共路离轴同步正交相移的细胞定量数字全息显微技术与理论

A common-path off-axis digital holographic microscopy is proposed for quantitative cell imaging to achieve a fast 3D wide range measurement with high stability and high resolution by using a simple and compact setup. The main study is as shown below. 1) a parallel-quadrature phase-shifting common-path off-axis digital holographic microscopy using polarization beam splitter is to propose for imaging measurement. 2) a theoretical reconstruction model is to establish using the theory of low coherence interferometry and angular spectrum. 3)an autofocusing method is to seek for parallel-quadrature phase-shifting off-axis digital holographic microscopy. 4) an experimental prototype setup is to establish based on the integration of each key technique and the method above, and it can achieve an axial resolution of better than 1nm, a lateral resolution of better than 0.2 um, and measurement speed of better than 25fps. After this project is accomplished, a quantitative phase microscopy of cells can be ahcieved by taking resolution, utilization of the field of view and imaging speed into consideration. The setup can be more stable compared to regular interferometers by using simple optical elements. A parallel-quadrature phase-shifting common-path off-axis digital holographic microscopy for quantitative cell imaging can be achieved with independent intellectual property. The project also has a has a wide applicable foreground in such fields as biomedicine engineering, micro-machining, semiconductor and micro-electronics manufacturing.

提出一种具有全场三维稳定快速高分辨测量能力兼有结构简单紧凑特点的共路离轴细胞定量显微成像测量方法。主要研究内容：1）基于偏振分光棱镜的共路离轴同步正交相移数字全息显微成像测量方法；2）基于低相干干涉理论和角谱理论的离轴同步正交相移数字全息显微再现理论模型；3）探索适用离轴同步正交相移的细胞数字全息显微自动聚焦方法与技术；4）研制共路离轴同步正交相移细胞定量数字全息显微成像测量原理样机，主要技术指标：轴向分辨力优于1nm，横向分辨力优于0.2μm，测量速率优于25fps。该项目的完成，可解决传统细胞定量数字全息显微系统中存在的空间分辨能力、视场利用率以及成像速度相矛盾的问题，在不需特殊光学元件基础上，增强系统抗干扰能力，形成具有自主知识产权的共路离轴同步正交相移细胞定量数字全息显微测量方法与技术；可广泛应用于生物医学工程、微细加工、半导体及微电子制造业等领域。

共路数字全息显微技术具有抗干扰能力强、全场定量、非接触、无需对样品做特殊处理等优点，在细胞形态和行为定量研究领域备受关注，但仍存在相机带宽利用率、视场利用率以及实时性不能兼顾等问题。本项目旨在解决上述问题，研究一种共路离轴同步正交相移数字全息显微成像技术，具体包括：1)提出了基于偏振调制技术的共路离轴同步正交相移数字全息显微成像测量的新技术。该技术在4f反射点衍射式离轴共路数字全息显微结构基础上，利用圆偏振光照射待测物体，并结合偏振分光调制同步正交相移技术，通过一次曝光采集获得两幅载频正交相移干涉图，在降低载频要求、兼顾CCD空间带宽和有效视场的同时，实现全场实时测量，兼有结构简单紧凑、抗干扰能力强等优点。2)建立了离轴正交相移数字全息显微快速再现理论模型。在分析离轴数字全息显微成像特性基础上，引入自适应滤波技术，探究了滤波器窗口等对成像再现的影响机理，进而利用有无样品相除法建立了离轴正交相移数字全息显微快速再现理论模型，在完成实验验证基础上，进一步引入频谱切割、空域相移和复域编码等技术，从而为实时成像再现奠定坚实的理论基础。3)探究了数字全息显微自聚焦的技术。在分析灰度方差函数法、梯度平方函数法、Tenenbaum梯度函数法、拉普拉斯算子函数法、傅里叶频谱对数法等自聚焦评价方法基础上，通过深入研究，确定以梯度平方函数法作为自聚焦评价函数。4)在上述理论和单元技术基础上，研制了原理样机，完成了细胞的结构特性和动力学行为等的定量研究，主要技术指标为：稳定性标准差为3.51nm，重复性标准差为1.49nm，百万像素测量速率可达30.3 fps。5)授权发明专利15项，申请发明专利8项。6).发表文章22篇，其中SCI收录18篇。6)申请人获得国家留学基金委资助，访问美国伊利诺伊大学厄香槟分校一年。7)培养博士研究生4名，硕士研究生8名。该项目的完成，在生物医学工程、微细加工、半导体及微电子制造业等领域具有广泛的应用前景和重要的应用价值。