基于结构照明的单光束相位成像技术研究

This project investigates into the single-beam amplitude and phase imaging method, and apply this method for mcicrocopic phase contrast imaging. Two kinds of structured illuminations, i.e., fringe structured illumination and random-structure illumination, are generated by a spatial light modulator (SLM), and are used for the illumination of the sample.The generated diffraction patterns are recorded by a CCD camera. Both the amplitude and phase distribtions of the sample are reconstructed simultaneously from the diffraction patterns recorded under different structured illumination. Furthermore, the strucuted illumination enables to improve the spatial resolution of the phase imaging by two-folds via synthesizing a larger numerical aperture. Unlike the traditional structured illumination microscopy, for which super-resolution imaging can only be applicable for amplitude specimen, the proposed method can be used to improgve the resolution for both amplitude and phase specimen. In addtion,based on the same setup, the multi-modality imaging including bright-field & dark-field incohernet imaging will be performed, as well as the autofocusing of the tested sample. Above all, this research proposal will contribute significantly to developing a high-performance quantitative phase imaging microscopy and unlocking the potential of the application of the technique in many different fields.

本项目研究基于结构照明的单光束振幅和相位成像方法,及其在显微成像中的应用。由空间光调制器产生结构光场（包括条纹结构光场和随机结构光场）来照明样品，由CCD来记录样品在这些结构光照明下的衍射图样，然后从衍射图样中再现出被测样品的振幅和相位分布；同时，不同的结构照明通过"合成数值孔径"将成像分辨率提高了一倍。与传统基于结构照明超分辨显微成像方法相比，本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。此外，基于结构照明的复振幅成像方法还可以实现非相干明场/暗场成像，以及对被测样品的数字调焦。本研究将为高性能实用化超分辨相衬显微镜的开发和应用打下良好的理论和技术基础。

生物样品大多是透明或半透明的，在传统显微镜下成像对比度很低，不利于对样品的直接观测。相位显微成像通过再现物光波的相位分布，可以对透明样品进行高衬度成像，具有重要的应用价值。本项目系统研究了基于调制照明(包括结构照明、低相干、4照明)的单光束振幅和相位成像方法，并将其应用于生物细胞的折射率测量、共聚焦/STED显微镜的畸变测量、以及CARS显微的背景噪声抑制。同时，还实现了共聚焦显微镜的荧光/相位的双模式成像。.1.研究了基于随机结构照明的数字全息显微技术，将相位成像的空间分辨率提高了两倍。通过将不同结构照明下再现像进行平均，抑制了相干噪声。.2.研究了基于低相干照明的相位成像方法，降低了相位成像中的相干噪声，提高了图像质量。.3.提出了基于4照明的数字全息显微技术(OV-DHM), 通过两个再现物光之间的差异来确定像面实现自动调焦。此外，将两个再现像进行拼接，还可以扩大成像视场，并提高了轴向分辨能力。.4.研究了基于迭代算法和TIE的单光束相位成像，并将其应用于相干反斯托克斯（CARS）显微成像，抑制了CARS成像中的背景噪声。.5.研究了同步相移-微分数字全息显微技术，通过一次曝光得到不同相移量的多幅全息图样，实现对运动物体或动态过程的实时相位成像。.6.提出了基于孔径分割的共聚焦/STED显微镜畸变测量/补偿方法，以及基于散斑相关的散射介质成像方法。.7.首次提出了共聚焦显微镜中的相位成像方法，实现了共聚焦显微镜的荧光/相位的双模式显微成像，完成了对细胞折射率的定量测量。. 在本项目执行期间，发表SCI文章13篇(中科院二区文章4篇，三区文章7篇)。与德国KIT和斯图加特大学开展合作研究，双方共同署名发表文章7篇。其中1篇被选入“IOP select”和 “Highlights of 2015”，1篇被OSA选文“Spotlight Summary”，1篇进入OSA “Top-download”。申请人在国际会议上作口头报告四次，特邀报告两次。申请人和西班牙瓦伦西亚大学Mico教授一起撰写并在“Advance of Optics and Photonics”（IF 21.3）上发表了82页长篇综述。项目组博士生郑娟娟于2017年获得“中科院优秀博士论文”和“全国光学工程学科优秀博士学位论文“。