螢光生物樣品的非相干數字全息三維顯微成像方法研究

《螢光生物樣品的非相干數字全息三維顯微成像方法研究》是依託北京工業大學，由萬玉紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：螢光生物樣品的非相干數字全息三維顯微成像方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：萬玉紅
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

基於菲涅爾波帶片與物信息關聯的非相干數字全息可大大簡化全息技術在螢光顯微成像領域的套用,對螢光生物樣品進行非掃描的三維顯微層析成像。非相干數字全息及其在生命科學領域的套用為目前國際研究前沿。本項目在研究衍射受限空不變系統成像的基礎上,深入研究非相干數字全息顯微成像的基本理論和關鍵問題,包括系統的三維強度點擴展函式、頻寬限制、空間解析度及非相干光特性對系統層析成像能力的影響；利用偏振相移原理,實現單次曝光兩步相移的同軸數字全息圖的記錄和再現算法,使該技術適用於動態樣品的成像；以最大化系統解析度為目標,建立物參共路的同軸數字全息實驗系統,進行非相干數字全息顯微成像實驗,通過波前像差預補償、最佳化再現算法、抑制噪聲等方法實現螢光生物樣品三維信息的高質量高解析度記錄和重建。此項研究有望產生一系列原始性的創新成果，並套用於螢光生物樣品成像等生命科學和醫學診斷的多個領域，具有重要的學術意義和套用價值。

結題摘要

全息圖可以用非相干光記錄使數字全息術的套用擴展到了螢光三維顯微成像，彩色全息和自適應光學等套用領域。菲涅耳非相干相關全息術（Fresnel Incoherent Correlation Digital Holography, FINCH）利用記錄非相干數字全息圖的方法將深度信息編碼於菲涅爾全息圖的條紋密度，實現了非掃描的螢光三維全息成像。本項目以FINCH技術為研究的切入點，主要研究非相干全息術的理論、成像特性，成像性能的提高和拓展。基於空間不變成像系統和衍射理論研究了採用自參考光的非相干數字全息術的基本原理,給出了系統的強度點擴散函式及非相干全息圖的形式。建立了非相干同軸數字全息實驗系統，研究了共路同軸FINCH的成像特性。通過比較衍射受限的相干、非相干透鏡成像及FINCH 成像系統之間的特性，說明了非相干數字全息技術在成像解析度上的優勢。提出了以全息圖數值孔徑作為參數來綜合評價和最佳化FINCH 系統成像解析度。研究相移技術對非相干數字全息術記錄和再現的影響，分析了在非相干數字全息術中套用單次曝光相移技術的可行性。提出了一種基於評價再現像平均噪聲對比度的相移誤差校正算法，利用該算法對相移誤差進行校正，有效地提高了再現像的質量。研究了光源的特性對非相干數字全息系統成像質量的影響，確定了可以記錄較高條紋調製度的光源直徑的取值，提出了一種基於自參考光的三角全息定量測量光場空間相干性的方法。針對現有的共路同軸相移非相干數字全息術記錄速度較慢且易受相移誤差干擾的局限，提出了一種基於三角全息術的非相干離軸傅立葉變換全息術(Incoherent Fourier Triangular Holography,IFTH)，實現了從單次曝光的全息圖再現物體的三維信息，並用於動態樣品的多維成像，實現了活的斑馬魚的四維追蹤。將IFTH 與光譜成像技術相結合，提出了一種非相干傅立葉變換彩色全息術(Incoherent Fourier Triangular Color Holography, IFTCH)，實現了物體四維信息的記錄和再現。結合圖像融合與色差校正技術，從分時曝光的三張全息圖便可獲得反映物體真實顏色以及三維空間信息的色合成全息再現像。與現有的螢光彩色全息成像技術相比，IFTCH 具有較快的記錄和再現速度，適合於動態生物樣品的螢光光譜三維顯微成像。