撰稿 | 馬英 (西安電子科技大學(xué)，副教授)
說明 | 本文來自課題組投稿
自從 17 世紀(jì)光學(xué)顯微鏡被發(fā)明以來，就一直作為人類探索微觀世界的重要工具，在許多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡只能獲得樣品的振幅信息，無法對透明樣品進(jìn)行高襯度的成像。因此，人們渴望獲得一種非標(biāo)記顯微技術(shù)，能在自然狀態(tài)下對透明樣品（如活體細(xì)胞）進(jìn)行長時(shí)間、高襯度跟蹤觀測。
數(shù)字全息顯微（Digital Holographic Microscopy, DHM），通過利用 CCD/CMOS 記錄被放大的物光波和參考光波的干涉圖樣，可再現(xiàn)出透明樣品高襯度、定量化的相位成像，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。然而， DHM 依然是一個(gè)衍射受限系統(tǒng)，其空間分辨能力一直較低，并且一直存在“大視場”和“高分辨”無法兼顧的矛盾。
上世紀(jì) 90 年代以來，光學(xué)超分辨顯微成像技術(shù)得到了快速的發(fā)展，該領(lǐng)域的領(lǐng)航者 S- W. Hell，E. Betzig 和 W. E. Moerner 被授予 2014 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這些方法均采用了熒光標(biāo)記，利用熒光的“光切換”特性來實(shí)現(xiàn)超分辨成像。在過去的幾十年中，科學(xué)家們在提高 DHM（無標(biāo)記顯微技術(shù)）空間分辨率方面也做出了許多努力。
西安電子科技大學(xué) 郜鵬 教授和南京師范大學(xué) 袁操今 教授合作在 Light: Advanced Manufacturing 上發(fā)表了題為“Resolution enhancement of digital holographic microscopy via synthetic aperture: a review（基于合成孔徑數(shù)字全息顯微鏡分辨率增強(qiáng)技術(shù)）”的綜述論文，回顧了 DHM 中不同分辨率增強(qiáng)的方法，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
DHM的分辨率由照明光波長、照明和全息記錄系統(tǒng)的數(shù)值孔徑所決定: δ=kλ/(NAillum+NAimag)。DHM的分辨率增強(qiáng)方法可分為三種：
（2）全息記錄系統(tǒng)的合成孔徑技術(shù)照明調(diào)制技術(shù)，采用離軸照明、結(jié)構(gòu)光照明和散斑照明來提高 NAillum，最終在大視場下實(shí)現(xiàn) DHM 空間分辨率的提高，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對厚樣品的三維層析。全息記錄（成像）信息增強(qiáng)方法，通過數(shù)字/物理擴(kuò)增全息圖或者采用壓像元技術(shù)，來提高無透鏡 DHM 的 NAimag，最終實(shí)現(xiàn) ~cm2 量級內(nèi)的高分辨相位成像。該技術(shù)還可以和微流體及片上設(shè)備實(shí)現(xiàn)直接集成，在大通量相位成像方面具有很好的應(yīng)用前景。圖 2：基于調(diào)制照明的數(shù)字全息顯微技術(shù)
此外，隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)和物理模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為提升 DHM 空間分辨率提供了全新的途徑。通過利用大量配對圖像（低分辨率全息圖作為網(wǎng)絡(luò)輸入，高分辨振幅/相位圖像作為網(wǎng)絡(luò)的輸出）對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，該網(wǎng)絡(luò)便可以實(shí)現(xiàn)對 DHM 高分辨（或“超分辨”）數(shù)字重建。盡管前期訓(xùn)練過程極為耗時(shí)，但隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，這些技術(shù)顯現(xiàn)出非常大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ绕涫峭ㄟ^將數(shù)字全息顯微真實(shí)物理模型融入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，可以有效減少所需的訓(xùn)練集數(shù)量并提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通用性和可靠性[1]。圖 3：基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)字全息顯微技術(shù)分辨率增強(qiáng)法
目前的 DHM 分辨率提高方法，能否超過衍射極限，獲得小于 λ/2(阿貝衍射極限)的分辨率呢？在綜述文章的總結(jié)部分，作者給出了否定的答案。事實(shí)上，目前 DHM 的分辨率增強(qiáng)技術(shù)，均是通過在更大角度范圍內(nèi)收集樣品的衍射/散射光以實(shí)現(xiàn)“合成孔徑”，僅能突破由具體成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑（如 NA=0.3）所決定的空間分辨，不能超過物理衍射極限 λ/2[2]。然而，近些年出現(xiàn)的倏逝波或超振蕩照明技術(shù)，有望使 DHM 的空間分辨率突破物理衍射極限，這方面的研究有待于進(jìn)一步的證明。1. F. Wang, Y. Bian, H. Wang, et al., "Phase imaging with an untrained neural network," Light Sci Appl 9, 77 (2020).2. J. W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics," 3rd ed. (Roberts & Company, 2005), (2005).
論文信息
Gao et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:6
http://dx.doi.org/10.37188/lam.2022.006
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