盲结构光照明频域交叠成像术研究

Structured illumination is a effective way of resolution enhancement of optical microscopy. However, this technique can only applied to intensity image from amplitude type object rather than phase image from phase type object. And also because of requirement of coverage in frequency domain and separation of different orders, the operation of the technique is complex. So first, phase modulation of the wavefront transmitted from the phase type object is transformed to be amplitude modulation based on phase contrast technique. Then frequency domain coverage direction is expanded base on blind structured illumination of random phase. And wavelength and spatial multiplexing techniques are adopted to realize the information separation of different frequency direction and different diffraction orders. Finally, ptychography iterative engine is used for information fusion. And object transmission function is obtained. The research content includes: formation of structured illumination and multiplexing technique, phase contrast ptychography imaging for phase type object, object information calculation based on blind structure overlap diffraction pattern. The research of the project will enhance the ability of structured illumination microscopy, first solving the problem of phase type object observation with structured illumination, secondly increasing the recording efficiency with blind structure illumination, thirdly simplifying the procedure of frequency domain information fusion with iterative algorithm.

结构光照明能够有效增强光学显微术分辨率，它通过融合高、低频谱成分的物体强度信息实现分辨率倍增。但该方法较少用于透明相位物体成像，同时为了获得不同方向频谱信息以及分离多级衍射像，需要精确旋转和移动结构光场。本项目利用随机相位盲结构光照明，拓宽单次照明的频域覆盖方向，利用波长复用、空间复用技术实现不同频域方向、不同衍射级次间频域信息的分离，并采用相位增强方法将相位型物体对光波的相位调制转化为强度调制，最后，利用频域交叠成像迭代算法实现频域信息融合，进而恢复待测物体信息。研究内容含：结构光场构造及复用技术；结构光照明显微术中引入相位增强技术以实现纯相位型物体信息提取的方法；根据盲结构光照明下采集得到的数据，研究求解待测物体信息的方法。该项目将拓展结构光照明显微术应用范围，解决结构光照明在相位型物体测量中的问题；利用盲结构光照明提升采集效率；利用迭代算法简化物体信息求解过程。

照明光源调制及像面数据计算重构是近年来光学显微成像技术领域的研究热点。该领域主要围绕成像分辨率提升、扩大视场、获取更精准相位等目标开展研究。本项目基于此目的在以下方面开展了深入研究工作：1、在结构光照明基础上研究了随机移相方法，通过频域拓展的方法提升了显微成像分辨率；2研究了照明光相位调制方法，实现了相位型物体边缘增强目的；3、深入研究了交叠成像技术，实现了微观三维形貌获取，并在交叠扫描光瞳调制方法、误差校正等方面取得进展；4、利用结构光照明技术及交叠成像技术开展针对特定问题的应用研究，解决了光学材料亚表面缺陷检测以及惯性约束核聚变（ICF）靶丸表面缺陷高精度测量难题。针对ICF靶丸（直径1~2mm）表面缺陷高精度测量难题，提出零位干涉显微成像技术（Null Interferometric Microscopy, NIM），通过短相干光源分光时延控制、移相控制、偏振控制以及强度控制，以及零位干涉空间移相等技术解决了微观曲面、大视场、高分辨、高精度三维测量难题。本项目研究成果支撑并获得一项省部级技术发明二等奖，在Optics Express、Optics Letters、Optics and Lasers in Engineering、Scientific Reports等期刊发表SCI学术论文 19篇，授权发明专利1项，培养博士研究生1名、硕士研究生4名。本项目研究在分辨率提升、扩大视场、获取更精准相位等方面取得了成果，在显微计算成像领域具有一定参考价值，可直接在精密光学制造、高功率激光装置精密测量、生物医学成像等方面进行应用。