三维非扫描荧光全息成像技术研究

Optical imaging technique can be conveniently used for non-destructive testing and monitoring of life processes. It has been widely used in life sciences, disease diagnosis and other areas. However, conventional optical imaging techniques have to combine with scanning method for three-dimensional information recording which slows down the imaging speed. Because of this, it is hard to realize real-time observation of fast functional activities in three-dimensional network. With holographic fluorescence imaging technology, three-dimensional fluorescent information can be detected in real-time without scanning. However, the quality of images will be ruined by the out-of-focus information or the deteriorated resolution. These limit its application in fluorescence detection. This project intend to combine with the new progress in the section method of wide-field imaging system, to remove the noise from out-of-focus planes. Moreover, effort will be devoted to improve the resolution of this system. It aimed to achieve high quality of tomography and high resolution, which are comparable with that of the confocal imaging technology while the high imaging speed has been reserved. Then three-dimensional fluorescent information can be detected simultaneously with high signal-to-noise ratio and high resolution. This technology will provide a new tool for life science research with high spatial and temporal resolution, promoting its application in biomedical research.

荧光成像技术能够方便地用于生命过程的直观无损检测和监控，是生命科学和疾病诊断等领域不可缺的工具。传统荧光成像技术需要通过扫描获得三维信息，成像速度较慢，难以实时监测三维网络中的快速生命活动。荧光全息成像技术可实现三维荧光信息快速同步获取，然而焦外干扰和分辨率恶化等问题阻碍了全息技术在荧光探测中的广泛应用。本项目拟结合宽场层析技术最新进展，去除全息成像系统焦外干扰，实现高信噪比三维层析成像。在上述基础上，提高全息系统分辨率，力求在保证成像速度优势的前提下，达到与共聚焦技术匹敌的层析能力和分辨率，实现三维荧光信息快速同步、高信噪比、高分辨率成像。这一技术将为生命科学研究提供一个新的研究手段和工具，提供传统方法无法获取的高时空分辨率数据，应对日益增长的成像需求，推动全息成像技术在生物医学研究中的应用。

荧光全息成像技术可实现三维荧光信息快速同步获取，但是全息系统的焦外干扰和分辨率恶化等问题限制了其在荧光探测中的应用。本项目拟结合图案照明层析技术去除全息成像系统的焦外干扰，实现高信噪比三维层析成像。在上述基础上，研究全息系统的空间分辨率，力求在保证全息体成像速度优势的前提下，达到高层析能力和高空间分辨率，实现三维荧光信息快速同步、高信噪比、高分辨率成像。已有许多研究结果证实了全息体成像技术的高时间分辨率特性，本目标实现的关键是高空间分辨率。高空间分辨率包括两部分，一部分是提高横向空间分辨率，另一部分是提高轴向空间分辨率，提高层析能力。我们的研究重点主要集中在这两个部分。在实际研究中发现高空间分辨率情况下，系统分辨率对器件性能、结构参数等都非常敏感，空间光调制器的固有畸变以及系统其他缺陷引起的畸变已经大大限制了空间分辨率的提高，成为限制提高系统空间分辨率的主要因素。因而亟待解决的问题是如何校正这些畸变，消除高空间分辨率成像研究中的障碍。在现有方法无法满足项目需求的情况下，我们提出了新的像差校正方法。通过此方法能够精确定量系统的像差变量，找到完整的数学模型。进一步，采用定量结果可以控制校正器件的参数，校正系统中的像差。与其他方法相比，本项目提出的方法不但能够校正低阶像差，也能够校正高阶像差。这种方法同样适用于全息相位探测中的畸变补偿。与通用的二维泽尼克多项式补偿方法相比，本方法的校正精度更高。传统的二维泽尼克多项式法对孔径形状敏感，无法去除物体区域的影响，只能将物体相位当着畸变一起校正，存在误差。在我们方法中，可以完全消除物体相位的影响，得到正确的畸变量，进而得到物体准确的相位值。总之，通过项目中提出的方法可以完全校正系统中的像差，将空间分辨率校正到衍射极限。因此目前已经完成了第一部分提高横向空间分辨率的研究，并取得了较好的研究进展。第二部分提高层析能力的工作仍然在研究中。