基于自干涉数字全息的非扫描三维层析成像

Aim to the diversified applications in the field biomedical optics, the current any technology of optical three-dimensional (3D) tomography is hardly meet the challenges simultaneously of imaging resolution, data acquisition speed, imaging field of view and multidimensional information acquisition simultaneously. It has great importance and valuable applications of acquiring 3D structured and functional dynamic information of biological samples at cellar scale for medical diagnose and life science research in vivo. Some kind of multidimensional imaging technique is really demanding prompt solution. A novel non-scanning three-dimensional tomographic imaging technology will be developed in this project based-on self –interference incoherent digital holography. The incoherent digital holography will be formulated as a compressive sensing model and design high performance 3D imaging system. The single-exposure captured holograms can be digitally reconstructed by compressive sensing and decompressive algorithm, thus the three-dimensional spatial information can be recovered with high lateral and axial resolution while a certain time resolution. Owing to single-shot hologram and nonscanning, the technique developed in this project is suitable for imaging dynamic samples or biological samples in vivo. The research will focus on the solution of the key problems: the demonstration of self-interference compressive sensing model, tomographic imaging by single-shot and mitigating the trade-off of imaging lateral resolution and depth of field. The ultimate goal of the project is the realization of multidimensional microscopic imaging for fluorescent biological samples in vivo with submicrometer resolution.

面对生物医学领域的多样化的应用，现有的三维层析成像技术尚难以同时满足生物医学对成像分辨率、视场和成像速度以及多维信息同时获取的实际需求。本项目结合自干涉数字全息和压缩感知算法的优势拟发展一种新型的面向医学诊断应用的成像技术。以实现非扫描的三维层析成像为目标，以理论分析、数值仿真结合实验研究为主要手段，系统地研究自干涉数字全息三维层析成像的机理与关键问题，解决自干涉数字全息压缩感知前向传感模型,解压缩重建算法，以及成像系统横向和轴向分辨率同时优化的问题，设计并建立符合压缩全息理论的成像系统，通过单次曝光采集全息图, 结合解压缩算法，重建样品的三维空间和动态变化等多维数据，重建信息具有良好的横向和轴向分辨率。该项研究将完善自干涉数字全息成像的理论,并提高三维层析成像技术的性能并其拓展的应用,为医学诊断、生命科学以及生物学等领域提供一种高分辨率、实时的、定量的多维成像方法和研究手段。

对生命科学领域不断深入的探索与研究迫切地需要光学显微成像技术可以看得更小、更清、成像速度更快。生物细胞或组织等样品往往具有较为复杂的三维结构。因此，生命科学领域的实际研究中要求成像方法具有较高的轴向成像分辨率，并能提供光学层析的成像能力。非相干数字全息技术可实现宽场三维成像，并且成像过程中不需要任何扫描装置、系统机械件或样品的移动。基于非相干数字全息技术实现的高分辨率荧光非扫描三维显微成像方法，在面向生物样品成像时具有极大的应用潜力,是目前光学三维显微成像领域的研究前沿之一。. 本项目的研究目标是发展一种基于自干涉数字全息的新型非扫描三维层析成像技术，设计并建立满足压缩感知理论模型的高性能成像系统，实现生物样品多维信息的快速采集和三维重建，兼顾成像的横向分辨率和轴向分辨率，并具有良好的成像对比度。通过项目组成员的努力和持续深入的研究，取得了主要研究成果概括为：①建立了自干涉数字全息压缩感知成像的理论模型。阐明了非相干数字全息不同记录机制(FINCH和I-COACH)作为压缩感知过程的理论体系，并建立了系统的三维成像压缩传感模型。②发展了自干涉数字全息解压缩三维层析重建算法。基于FINCH系统实现了非相干数字全息三维层析成像，给出了全息图压缩重建精度的定量评价方法。通过实验证明了压缩感知体系下系统轴向重建精度的提高。③提出了单次曝光的非相干数字全息成像方法，包括：适用于运动样品的单次曝光离轴三角全息成像方法、基于同轴共路FINCH的压缩并行相移数字全息成像方法和具有较高轴向重建精度的压缩I-COACH单次曝光三维成像。④提出了一种荧光数字全息计算自适应成像方法，实现了无引导星、无波探测器和无波前校正器的快速非扫描自适应三维成像。搭建了倒置式荧光数字全息显微成像系统，实现了三维分布的荧光微球和人体癌细胞样品的非扫描自适应三维成像。