合成孔径显微术新突破：空间分辨率和成像速度可兼得

来源：中国激光

Cheng Zheng, Di Jin, Yanping He, Hongtao Lin, Juejun Hu, Zahid Yaqoob, Peter T. C. So, and Renjie Zhou., "High spatial and temporal resolution synthetic aperture phase microscopy," Adv. Photon. 2(6), 065002 (2020).

1. 背景介绍

显微镜是一种重要的研究工具，在生物学、医学、材料科学和元器件质量控制等诸多研究领域都起着举足轻重的作用。现有的各类显微成像技术在分辨率、成像速度、视场、灵敏度和可适用领域等方面都各有权衡，各有侧重。例如，扫描电镜可以达到纳米级别的成像分辨率，但成像速度很慢，以至于只能针对特定样品，尤其是静态导电样品显微成像；荧光显微术，由于需要化学标记这一环节，并不适用于长时间对活体生物样品观察，比如活细胞或者更小的亚细胞结构的动态成像。

图1 显微镜（图片来自网络）

合成孔径显微术(Synthetic Aperture Microscopy, SAM)，作为一种利用干涉原理的光学成像技术，一直在追求着实现更高分辨率，但是现有方法在提高空间分辨率的同时却牺牲了成像速度。为解决此问题，来自香港中文大学的周仁杰团队联合麻省理工学院和浙江大学研究团队，共同开发了一种全新的合成孔径显微成像方法。相关成果以High spatial and temporal resolution synthetic aperture phase microscopy为题，发表在Advanced Photonics 2020年第6期。这一新型成像技术创新性地将合成孔径显微术与数字微镜器件 (Digital Micromirror Device, DMD) 进行高效结合。

2. 技术原理

通过利用光的内源特性——“相位”作为成像特征参数，可克服传统光强成像技术在处理透明样品时存在的对比度低、无法清晰成像的问题。这种“相位”信息包含了样品的光学性质（特别是折射率），并且这些信息会随着入射光的角度不同而发生变化。合成孔径显微术就是基于这个原理，通过利用在不同的入射角情况下快速、连续拍摄的多幅相位图，重建一个更清晰的三维成像结果。但是现有技术无法实现高空间分辨率与高成像速度的完美结合，为解决这个问题，周仁杰教授带领的联合研究团队提出了一种新型成像系统，其主要创新点在于高效结合了合成孔径显微术与数字微镜器件两者的优势。

数字微镜器件是一种广泛应用于投影仪的电子元件，它主要由一个微镜矩阵构成，每个微镜的偏转方向都可以被独立控制。数字微镜器件切换速度极快，因此只需利用两个数字微镜器件和合适的透镜，便可使入射光束的角度以数千次每秒的速度改变。入射光透射过样本后，会与原始激光器的一部分光束（参考光）相干叠加，产生携带相位信息的干涉图，这些不同入射角下的多个干涉图经过设计的算法可被重建为更高分辨率的相位图像。

3. 技术应用

利用以上提到的系统，研究团队对多种样品进行了测试，如纳米光栅（如图2所示）、红细胞（如图3所示）和成纤维细胞（如图4所示）等。使用该研究中所研发的全新合成孔径显微成像技术，可以准确地对材料精细结构进行成像分析，分辨率可高达132nm。而且成像速度够快，该技术还被用来定量测量红细胞膜表面毫秒级波动的情况，和观察成纤维细胞暴露在化学物质下的动态变化。 更具有吸引力的是，这项技术无需染色标记，这意味着相关研究人员可以在避免使用可能对细胞有害的荧光化学物质的同时，实现了对活细胞的实时高分辨成像。

图2 亚波长光栅成像对比

图3 红细胞膜表面毫秒级纳米波动

图4 醋酸暴露下成纤维细胞的动态观察

这种新方法的另一个显著优点是可以消除激光散斑(一种由于激光的高相干性带来的成像噪声)。通过对多张干涉图的合成，使得每张图中存在的随机散斑被抵消，从而使最终的合成图像更加清晰。此外，当达到了所需的图像质量后，可以通过使用减少干涉图数量来增加成像帧率。

4. 未来展望

在未来，高速成像技术一定会在生物学和材料研究领域有充分的用武之地，如研究活细胞的运动及动态变化，细胞间的相互作用，实时监控材料制造过程以达到质量控制的目的，等等。此外，该技术可通过使用帧率更高的相机来实现更快的成像，而且仅需做算法调整即可实现高质量三维成像。