基于聚焦点阵列的无物镜宽视场光学显微成像方法研究

Optical microscopy has been widely used in biomedicine, material science, and many other areas. However, traditional optical microscope relies on complex specially-designed microscope objectives, which limits its field-of-view. Meanwhile, the complex design of the objective also increases the system cost. This project plans to study the methods for microscopy without using objectives, and performs research on re-designing the optical microscope system, in order to get a much wider field-of-view while maintaining similar resolutions, and thus achieve high-throughput microscopy. We will study the principles of using focal spots grid for imaging by scanning methods. Based on the theoretical and experimental study of mechanisms to generate the focal spots grid, we will try to find the optimal methods to fabricate the device for focus grid generation, so as to achieve a wide-area focus grid with similar spot size as the resolution of microscope. Then we will use the focus grid for microscopic imaging experiment, and study the practical issues related to scanning mechanisms and image reconstructions. The abovementioned research will provide theoretical and experimental guidance for novel microscopic methods. And the research on mechanisms of focus grid generation can also be possibly used in other related areas in optics.

光学显微成像被广泛应用于生物医学、材料等领域，是现代科学不可缺少的工具。然而，传统的光学显微镜依赖于设计复杂的显微物镜，使得其视场范围较为有限，同时显微物镜的复杂设计也增加了系统成本。本项目计划对无物镜宽视场光学显微成像方法进行研究，探索在没有传统显微物镜的前提下重新设计光学显微系统，力求在保持类似分辨率的前提下得到比普通显微镜宽得多的视场，从而实现高通量显微成像。我们将研究利用聚焦点阵列对样品进行扫描成像的方法。通过对聚焦点阵列产生机理的理论模拟和实验研究，力求找到较优的制作聚焦点阵列产生器件的办法，以较好地实现具有与显微镜类似分辨率大小的大面积聚焦点阵列。然后我们将利用产生的聚焦点阵列进行显微成像实验，同时研究其中存在的扫描方法与图像重构等实际问题。上述研究将为类似的新型显微方法提供理论和实验基础，其中聚焦点阵列产生机理的研究也有可能被应用于其他相关的光学领域。

项目背景：光学显微成像被广泛应用于生物医学、材料等领域，是现代科学不可缺少的工具。然而，传统的光学显微镜依赖于设计复杂的显微物镜，使得其视场范围较为有限，在高倍数物镜、即高分辨率下尤其受到限制。同时显微物镜的复杂设计也增加了系统成本。本项目对无物镜宽视场光学显微成像方法进行研究，探索在没有传统显微物镜的前提下重新设计光学显微系统，力求在保持类似的分辨率前提下得到比普通显微镜宽得多的视场。.主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义：(1) 我们对利用Talbot自成像技术产生聚焦点阵列的特性做了深入的研究。与普通显微物镜产生的光点不同，利用Talbot自成像技术产生的聚焦点并不能近似为高斯光束，而是更为复杂的三维分布。利用这样的聚焦点进行扫描成像时所需的最佳成像位置也与传统高斯光点扫描成像不同。我们通过对刀片样品和标准分辨率样品的扫描模拟，研究了利用Talbot 自成像技术产生的聚焦点扫描成像时的分辨率和信噪比，提出了寻找最佳成像位置的方法，并提出了指导实验的方法。另外的重要结果是我们证实了最佳的成像位置并非是经典理论中的Talbot自成像距离，而是稍近一些的距离，这个结果也验证了实验中观测到的现象。(2) 我们利用全息方式产生聚焦点阵列，并在此基础上搭建了宽视场显微镜系统，进行成像测试，得到了分辨率为1微米左右，6.5 x 2.4毫米大小的宽视场图像。我们创新性的应用了压缩感知技术，并对生物样品进行了成像。具体来说，我们在扫描采样时利用压缩感知的原理，随机选取了所需要的聚焦点，而不是全部的聚焦点，然后基于小波域稀疏利用压缩感知重构算法重构图像。在宽视场显微镜中利用压缩感知主要有两个优点，即减少实验中需要获取的数据以及聚焦点阵列不需要满足奈奎斯特采样定理，而只需随机位置分布，从而降低制作要求。(3) 我们还研究了利用基于记录的同轴全息强度信息，利用设计好的已知样品信息图样，通过样品面与成像芯片面的光场迭代计算重构样品图像，从而实现无透镜宽视场显微镜。主要的技术创新之处为已知样品信息图样的使用和设计研究。我们通过数值模拟和实验研究证实了利用光栅照明图样下可以成功重构出样品图像，并成功重构了直径为5微米大小的微球样品图像，以及生物样品的图像。基于以上的工作，我们基本完成了课题计划的研究内容。