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高性价比的数字全息显微镜克服衍射极限横向分辨率挑战

2022-9-9 13:50| 发布者: 光执事| 查看: 579| 评论: 0

摘要: 成本效益数字全息显微镜的空间分辨率可以通过结合结构化照明架构来提高。发表在《工程光学和激光》上的一项研究在高度稳定且具有成本效益的菲涅耳双棱镜数字全息显微镜中采用了这种技术。所提出的设置能够对活细胞进 ...

成本效益数字全息显微镜的空间分辨率可以通过结合结构化照明架构来提高。发表在《工程光学和激光》上的一项研究在高度稳定且具有成本效益的菲涅耳双棱镜数字全息显微镜中采用了这种技术。所提出的设置能够对活细胞进行高分辨率的三维成像,并将空间分辨率提高了两倍。数字全息显微镜克服了衍射极限横向分辨率的挑战


研究:基于菲涅耳双棱镜的数字全息显微镜中的结构化照明。图片来源:Barbol/Shutterstock.com


什么是数字全息显微镜?

全息显微镜是用于详细细胞分析的常用定量工具。随着高分辨率图像传感器的发展,可以以数字方式记录全息图,从而可以在不破坏细胞结构的情况下对活细胞进行非侵入性观察和分析。


数字全息(DH)显微镜是一种有效的无标记生物医学成像技术,可以完全访问样品的幅度和相位分布。


通过开发所需的DH条件并将它们与各种成像系统集成,可以同时研究微结构和活细胞的生化、机械和形态特性。


DH显微镜的衍射极限横向分辨率

平面波照明常用于DH显微镜;成像装置的横向分辨率受其数值孔径和波长的限制。较短波长的光源(X射线或紫外线)可以提高横向分辨率。但是,它们会损坏某些样本,包括生物组织。


具有大数值孔径的显微镜可以实现更大的数值孔径。然而,这导致有限的聚焦深度和工作距离。


结构化照明(SI)是一种很有前途的技术,可通过以周期性图案照射样品来提高成像系统的分辨率。然而,这种方法非常耗时,并且机械振动会增加时间噪声水平。


SI实施将受益于公共路径几何,因为它确保了参数在很长一段时间内的稳定性。


在数字全息显微镜中使用结构化照明来提高空间分辨率

传统的DH显微镜系统与采用双透镜和光栅系统的SI方法集成。所提出的方法是基于双棱镜干涉仪的改进的公共路径配置。


修改后的配置允许使用由光栅产生的结构光来提高DH技术的分辨率。它涉及常规照明(CI)和合成照明(SI)全息图的两次离轴采集。


结构光将高频分量带入可见光谱。结果,SI全息图混合了低频和高频信息。去除常规照明全息图的光谱,保证SI全息图谱中样品的高频成分和低频信息不重叠。


使用数值自动聚焦技术和角谱传播(ASP)方法计算全息图的幅度。在捕获两张图像后,一张用于CI图案,另一张用于SI图案,全息图的角光谱经过数字过滤和传输,以创建样品的高分辨率图像。


研究的重要发现

通过将光盘提供的SI模式与菲涅耳双棱镜建立的共路径离轴几何相结合,开发了一种低成本且高度稳定的振幅和相位分布成像方法,空间分辨率提高了两倍。


标准测试样本的实验结果验证了传统成像系统的投影分辨率增强,因为所提出的方法成功地检测到了细胞的双凹结构。


使用标准测试样本测试横向分辨率预测。研究结果表明,基于双棱镜的DH显微镜的SI系统优于CI-DH系统的品质因数为2


集成的SI和双棱镜干涉仪设置需要两个全息图而不移动光栅,其共路径设计为多镜头成像技术提供了一个非常稳定的系统。


由于双棱镜的光路长度很近,并且波的强度相同,因此形成了高对比度和线性条纹,提高了测量的准确性。


所提出的方法忽略了二次相位因子对重建相位图的影响,使两个光束具有相同的曲率。因此,基于菲涅耳双棱镜的共路径配置是一种消除不希望的和不相关的相位波动的有效技术。


此外,这种定量DH系统适用于高分辨率3D相位成像,因为它具有可调节的条纹调制、易于安装和低廉的成本。


所提出的DH技术提供了比标准DH显微镜更高分辨率、更详细的活细胞成像。此外,它可以与各种光学显微镜联动,产生无标记的多模态成像。


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