【ACS Photonics.】“干涉+非干涉”相得益彰：基于傅里叶“全息-叠层”(FHPM) 的合成孔径定量相位成像

英文原题：Fourier holo-ptychographic microscopy: a hybrid digital holography-Fourier ptychography approach to synthetic-aperture quantitative phase microscopy

论文第一作者：李卓识（博士研究生）

通讯作者：左超（教授）

数字全息显微镜(Digital holographic microscopy, DHM)作为一种典型的定量相位成像技术，利用干涉原理解析光波前的相位变化来快速、准确地获取由生物样本表面形貌与折射率分布引起的相位延迟^[1]。然而，由于相干衍射极限、散斑噪声以及寄生干涉的存在，其成像分辨率与成像质量始终受到限制^[2]。相比之下，傅里叶叠层显微成像技术(Fourier ptychographic microscopy, FPM)融合了相位恢复与合成孔径思想，通过非干涉的方式重建物体相位信息^[3]。该技术通过获取不同照明角度下的强度图像，利用傅里叶域的叠层相位恢复与合成孔径方法重建物体高频相位细节，从而提升成像分辨率与成像视场。尽管FPM性能卓越，但其低频相位恢复和波前像差重建的准确性往往受到严格匹配照明条件的限制，尤其在使用高数值孔径物镜时，这一条件的满足面临巨大挑战^[4,5]。尽管干涉与非干涉的定量相位成像技术各具优劣，但两者之间存在技术互补性，这为本研究提供了重要的思路，促成了本文中傅里叶“全息-叠层”(Fourier Holo-Ptychographic Microscopy, FHPM)这一新型合成孔径定量相位成像方法的提出。

近日，南京理工大学陈钱、左超教授团队联合波兰华沙理工大学Malgorzata Kujawinska、Maciej Trusiak教授团队与西安电子科技大学郜鹏教授团队，提出了一种混合数字全息与傅里叶叠层的合成孔径定量相位成像方法，名为傅里叶“全息-叠层”显微术(FHPM)。该方法首次将干涉与非干涉相位成像技术集成至同一系统中，实现二者的有机融合。FHPM采用数字全息技术确保相位恢复与像差表征的准确性，利用傅里叶叠层合成孔径技术实现显著的分辨率提升(20×, 0.5NA物镜下，由615 nm提升至274 nm)。其中，部分相干LED照明抑制干涉重建带来的散斑噪声与自干涉伪影的同时，简化了成像系统并提升了鲁棒性。相关研究成果近期作为封面文章发表在ACS Photonics期刊上。

本研究提出了一种新型混合成像方法——基于傅里叶“全息-叠层”(Fourier Holo-Ptychographic Microscopy, FHPM)的合成孔径定量相位成像。该技术采用数字全息技术获取准确的低频先验信息，确保重建过程中低频相位的准确性；随后利用基于自适应步长的傅里叶叠层合成孔径算法重建高频相位细节，将截止频域拓展至非相干衍射极限，实现了显著的分辨率提升。其中，基于Zernike模式约束的数字波前校正算法用于准确的像差表征。FHPM在保证相位重建精度的情况下，实现了高分辨率、高信噪比的合成孔径定量相位成像，且仅需要一张全息图和八张强度图。具体的成像光路与重建过程如视频1所示。

基于提出的傅里叶“全息-叠层”显微成像方法，研究团队通过USAF相位分辨率板实验，验证了FHPM在横向分辨率和相位恢复准确性方面的成像性能。实验结果显示，与传统DHM相比，其成像分辨率显著提升，并具有较高的成像信噪比；此外，凭借数字全息提供的准确低频先验，FHPM确保低频相位和波前像差重建准确性的同时，克服了FPM中固有的匹配照明条件(图1)。此外，通过基于Zernike模式约束的自适应光学校正算法，FHPM稳健地补偿动态变化的波前像差，有效提升成像质量的同时在一定程度上保证了成像分辨率(视频2)。

图1. USAF相位分辨率板测试结果。(a-c) 基于DHM、FPM和FHPM的定量相位成像结果；(d-f) 为相应感兴趣区域的放大视角；(g) 矩形区域的截面剖线图；(h) 合成孔径结果。

视频2. FHPM成像光路设置与算法流程。

南京理工大学智能计算成像实验室(SCILab: www.scilaboratory.com)隶属于南京理工大学光学工程国家一级重点学科带头人陈钱教授领衔的“光谱成像与信息处理”教育部长江学者创新团队、首批“全国高校黄大年式教师团队”。实验室学术带头人左超教授为教育部长江学者特聘教授、国际光学工程学会会士(SPIE Fellow)、美国光学学会会士(Optica Fellow)、英国物理学会会士(IOP Fellow)，入选科睿唯安全球高被引科学家。实验室致力于研发新一代计算成像与传感技术，在国家重大需求牵引及重点项目支持下开展新型光学成像的机理探索、工程实践以及先进仪器的研制工作，并开拓其在生物医药、智能制造等领域的前沿应用。研究成果已在SCI源刊上发表论文270余篇，其中46篇论文被选作Light、Optica、ACS Photonics等期刊封面论文，25篇论文入选ESI高被引/热点论文，论文被引超过20000次。获欧洲物理学会菲涅耳奖(Fresnel Prize)、获中国光学工程学会技术发明奖一等奖、江苏省科学技术奖基础类一等奖、日内瓦国际发明展“特别嘉许金奖”等。

郜鹏，西安电子科技大学教授，博士生导师。曾入选“中科院百篇优秀博士论文”，德国“洪堡学者”，欧盟“玛丽居里学者”，国家级青年人才。主要研究方向为：超分辨光学显微与定量相位显微。团队围绕国家“科学仪器国产化”战略需求，聚焦光学显微领域的科学前沿和关键技术，在Nature Photonics, Adv. Opt. Photon.等学术期刊发表研究论文100余篇、授权发明专利10项（产业转化5项），撰写学术专著1部。研究工作曾被选为期刊封面、美国光学学会-研究热点、并被海外媒体ScienceDaily, Physics News等所报道。

Maciej Trusiak，波兰华沙理工大学教授，博士生导师。主要研究方向包括干涉测量与条纹分析、定量相位与显微成像技术。发表国际科学期刊论文超140篇，学术影响广泛。