鬼像衍射全息显微:一种用于定量振幅/相位成像的新型光学表征技术

2021-01-26

华侨大学蒲继雄教授课题组近期在鬼像衍射全息显微技术的研究中取得重要进展。该团队首次在实验上结合鬼成像和全息显微技术实现了对物体振幅和相位信息的同步定量测量,其空间分辨率达到了3.9 µm。研究成果以“Ghost Diffraction Holographic Microscopy”为题发表在Optica上

鬼成像(ghostimaging)被认为是一种神奇的成像技术。经典的鬼成像技术将光源分为两束光,其中一束光经过物体,由不具有空间分辨率的桶(点)探测器收集信号;另外一束参考光不经过物体,由具有空间分辨率的阵列探测器(如CCD)进行探测,利用光场的高阶关联获得物体信息。

从量子域首次实现到被实验证明可在经典域中完成,鬼成像的成像质量及分辨率不断得到提高,并展现出重要的应用价值。目前,鬼成像技术仅限于获得物体的振幅信息,限制了该技术的进一步发展和应用。因此,如何利用鬼成像方法实现对物体振幅和相位信息的同步检测,特别是相位的定量测量,成为了鬼成像技术发展中的一大挑战。


图1.鬼像衍射全息显微技术示意图、实验装置图及实验结果。(a) 提出的用于恢复物体振幅和相位信息的鬼像衍射全息示意图;(b)鬼像衍射全息显微实验装置图;(c)实验获得的不同物体的振幅及相位恢复图,其中,(a)-(d)为恢复的振幅分布图;(e)-(f)为恢复的相位分布图;(d)对鬼像衍射全息显微成像质量的定量分析,其中(a)-(d)为对1951USAF分辨率板中不同组的图像恢复结果:可恢复到分辨率板中的7组元素1,对应的分辨率为128线对/mm (线宽为3.9 µm)。

蒲继雄教授课题组在鬼成像中引入全息及显微技术,提出了鬼像衍射全息显微技术(ghost diffraction holographic microscopy, GDHM),首次在实验上结合鬼成像和全息显微技术实现了对物体振幅和相位信息的同步定量测量。通过实验验证和理论模拟,证明了该成像方法对于不同物体均能实现振幅和相位信息的同步定量检测。实验结果表明该方法最高能达到3.9 µm的超高空间分辨能力。

该成像方法使用赝热光源的瞬时光场,并利用了瞬时光强的空间统计特性,因此只需考虑空间上的各态历经平均,无需利用长时间探测的时间平均。在实验中所体现的优点是只需同时使用两个CCD各自采集一张散斑图像,并利用空间上的互相关算法,即可同时恢复待测物体的振幅和相位信息。该方法无需考虑传统算法中的迭代收敛问题,极大提高了成像速度,从而在高速成像、大气湍流实时成像、二维乃至三维生物样品显微高分辨实时动态成像和断层扫描等领域拥有广阔的应用前景,具有十分重要的技术价值。

华侨大学信息科学与工程学院印度籍博士后R. V. Vinu为论文的第一作者,蒲继雄教授和Vinu为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金(11674111)和福建省杰出青年科学基金等科研项目的大力支持。

论文链接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.409886