OEA内封 | 单次照相实现的菲涅耳非相干相关全息成像【澳大利亚斯威本科技大学】
来源:光电期刊
2021/11/27 12:52:45

研究背景

与激光成像相比,宽光谱成像技术无需诸如激光等特殊光源,在自发光天文物体成像、自然光反射成像等领域具有广泛的实用性,因而受到青睐。菲涅耳非相干相关全息成像(Fresnel incoherent correlation holography ,FINCH)就属于这一类广谱成像技术,利用该技术可以突破衍射极限,实现超分辨率成像。在基础光学中,由于所有源点都与其自身相干,因此镜面反射后都能与其自身发生相干干涉。FINCH就是利用了这一性质,它是基于自干涉原理的一项技术。在FINCH中,来自物体的光被分成两部分,通过不同的调制过程后由干涉产生一个场景的全息图像。至少需要记录三个拥有不同相差的全息图,最后才将它们投影形成一个复合全息图。通过反向传播算法,复合全息图从物体的多个不同平面被重建为一个3D图像。但是因为重建模式等原因,FINCH的时间分辨率只有直接成像技术的1/3。

在相关工作中,Saulius Juodkazis教授的研究团队提出了一种全新的能改变规则的方法,并且用线性系统的基本属性重新定义了FINCH的规则。对于物空间中只有一个物点的情况,FINCH会在感应器所在平面形成一个类似于菲涅尔波带片(Fresnel zone plate,FZP)的点扩散全息图(point spread hologram,PSH)。对于包含了分散在3D空间的多个点的物体来说,物体的全息图像则由被平移且等效缩放的FZP叠加而成。研究人员进行了包括对物体沿光轴进行扫描,以及记录相应的PSH并将数据入库等操作在内的单次校正。物体的3D图像则由物体全息图与PSH库之间的非线性自适应相关法以及常用的Lucy-Richardson算法进行重建。这种新方法提高了FINCH的轴向以及时间分辨率,为今后的研究提供了更多的可能性。该团队还首次展示了用于FINCH的无源多功能衍射光学元件,该元件仅由不同焦距的复合衍射透镜组成,采用纳米光刻技术制造而成。利用该项技术,研究人员使用高度紧凑的光学构造成功实现了分辨率测试靶和生物样本的成像。



研究亮点

澳大利亚斯威本科技大学Saulius Juodkazis 教授课题组的Vijayakumar Anand博士等人通过线性系统的基本规则重新定义了菲涅耳非相干相关全息成像(FINCH)技术,使得FINCH系统的成像分辨能力比以透镜为基础的非相干直接成像技术高1.5倍,比相干直接成像高2倍。因此,FINCH被广泛应用于超分辨率荧光显微镜,并且也被用于和结构照明等其他超分辨率技术相结合以提高成像分辨率。但是使用FINCH实现超分辨率成像有诸多严格的限制,需要特殊的光学结构和各类有源和无源光学元件,其轴向分辨率和时间分辨率往往较低。这些复杂的光学结构和较低的轴向时间分辨率限制了FINCH的广泛应用。该团队的研究者用全新的方式重新定义了FINCH,并且成功地将由大量光学元件组成的光学构造转变成了基于纳米加工技术制备的单个衍射光学元件,并成功实现了FINCH超分辨率成像。该方法将大体积、昂贵且笨重的FINCH转化为了一个小巧的、低成本且轻量化的版本。此外,该新方法也提高了FINCH的轴向和时间分辨率。

 

这项新的方法必将在非相干成像领域引起巨大的反响,并有望在此基础之上发展出下一代更为先进的FINCH显微镜。此外,该技术很有可能在生物医学成像以及激光加工领域带来新的启发。

 

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图1 (a直接成像结果合成的理想成像图; (b (a)的自相关成像图; (c互相关直接成像 ;(d (a) 和非线性过滤器结果互相关成像; (e(a) Lucy Richardson算法结果互相关成像 ;(f (b)–(e) 横向强度分布图。 通过和理想成像结果(g)对比计算出的结构相似指数图: (h直接成像 ;(i通过非线性重建的FINCH; (j通过Lucy Richardson算法重建的FINCH


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图2 (a两个平面物体的全息成像图被记录在不同位置的点扩散全息图:(bz1 =4.5 cm and (cz2= 5 cm; 利用在4.5 cm处的点扩散全息图的重建结果: (d) Lucy-Richardson 算法;(e非线性重建利用在6 cm处的点扩散全息图的重建结果: (f) Lucy-Richardson 算法;(g非线性重建


该研究工作以“Fresnel incoherent correlation holography with single camera shot”为题发表于英文刊Opto-Electronic Advances 2020年第8期。

 

研究团队简介

Saulius Juodkazis教授是斯威本科技大学光科学中心的副主任,同时也是该校纳米技术装备中心的主任。他一手创立了2011年开始运行的世界级最先进的纳米制造和超快激光加工装备中心Nanolab。他是OSA和SPIE的Fellow,以及长江学者。Vijayakumar Anand博士致力于全息成像技术,目前专注于生物医学成像以及激光加工领域内的全息成像应用难题。这项研究的其他参与者还包括Nanolab的研究工程师Tomas Katkus,企业项目研究员Soon Hock Ng,生物医药学研究者Denver P. Linklater,博士生Stefan Lundgaard,以及引领纳米生物科技、生物材料、抗菌表面学、生物器件和细菌分类学等关键科研领域的来自皇家墨尔本理工大学杰出教授Elena P. Ivanova。