一种新的数字全息显微镜的计算方法

数字全息显微术为研究人员精确地检查微观物体的三维形貌提供了一种独特的方法。然而，到目前为止，这种技术的能力一直受到使用的复杂计算方法的复杂性的限制。由Ana Doblas博士领导的孟菲斯大学光学成像研究实验室及其合作者构建了无需用户专业知识就能自动重建三维地形的算法。他们的工作为从材料物理到生物医学成像等研究领域使用该技术提供了新的机会。

研究人员可以使用大量技术，以便在显微镜下录制物体的图像。通过测量光线如何移动，散射和被样本吸收，它们通常可以在精确的细节水平中确定微观物体的3D拓扑。然而，这些技术并不总是适用于成像透明物体，例如活细胞或人造晶体。在没有任何方式对于研究人员来确定这些样品中包含的特征的精确位置，它们的结果可能不那么可靠。

此问题现已创建了开发技术可以直接创建整个透明对象的3D数字图像的技巧。为此，研究人员可以使用“数字全息显微镜”（DHM） - 首先将均匀激光束均匀分成“物体”和“参考”光束。当它与透明样品相互作用时，对象光束然后散射到不同程度，这取决于它渗透到样品中的深度。最后，这些散射波前通过显微镜镜片收集，并与参考光束合并。基于其独特模式，计算机可以使用专用的重建算法计算对象的透明3D图像。

从这些数字重建，研究人员可以精确地分析包含在透明微观物体内的3D结构。然而，目前，数字重建的质量和准确性高度依赖于计算方法和用户在选择正确参数时的专业知识，引入不可避免的人为错误来源。到目前为止，这种缺点限制了DHM在尖端研究中的应用，包括材料物理和生物医学成像。在DHM可以更广泛采用之前，必须提出新的计算DHM重建方法。

重复的订单
当一束简单的激光束穿过衍射光栅，产生的干涉图样投射到屏幕上时，图样中心就会出现一个明亮的光强峰值，如果没有光栅，光束就会在这里照射。然而，其他的亮度峰值也会以一定的间隔出现在这个中心点的两侧，其宽度、强度和间距会随着光的波长和光栅缝隙之间的间距而变化。随后，从中心连续较大距离处的峰对被描述为具有逐渐升高的衍射'级'。

虽然DHM所记录的随机斑点图案远比单个激光束复杂，但它们仍然遵循相同的物理定律。这意味着任何亮度峰值都会被三个可探测的衍射级数所包围。由于微观目标物体，如细胞和晶体结构可能具有复杂、任意的形状，因此从它们散射的光所走的路径将会有很大的变化，而且是不可预测的。最终，当解释它们产生的干涉模式时，这导致了很大的困难。

孟菲斯大学光学成像研究实验室的首席研究员Ana Doblas博士解释说:“参考波和物波之间的角度使得在三种不同的DHM架构下工作成为可能:内线、轻微离轴或离轴。”在微离轴和同轴DHM系统中，组成全息图光谱的三个衍射级是重叠的。如果不知道这种重叠发生的程度，算法就不可能有效地重建图像。到目前为止，解决这个问题需要一套繁琐的技术。

与移相斗争
在波的术语中，如果两个具有相同频率的波在传播过程中振幅的最高点和最低点没有对准，则称之为“相移”。如果两个这样的波在一起传播，它们会相互干扰，从而降低观察者看到的光强——在某种程度上，这取决于它们的相位差有多大。在微观尺度上，这个原理可以与可见光的波长相媲美，用来确定精确的距离。

如果Doblas博士的技术得到更广泛的应用，他们将大大提高高级显微镜的适用性。

通过相移DHM (PS-DHM)技术，可以在主图像旁边生成不同相移的图像。从这些得到的“相位图”中，重建算法可以更好地计算从摄像机到目标物体不同部分的距离，从而获得更精确的3D图像。在一定程度上，PS-DHM使研究人员能够减轻重叠衍射阶的影响，但这种方法有其自身的局限性。Doblas博士描述道:“需要相移技术来恢复复杂的物体信息，这就需要多张全息图记录。”“传统的PS-DHM方法需要对记录的全息图之间的相移有准确的了解。然而，在实验中，这种精度通常是艰巨的，导致使用不精确的相移值，从而产生扭曲和不可靠的相位图。”

反过来，图像重建算法具有不太可靠的基础，导致较少的图像，随后，限制了实验室中PS-DHM的实用性。通过他们的研究，Doblas博士和她的合作者旨在最大限度地减少所需的录音数，并开发更先进的算法，以便能够为缺乏经验的用户使用PS-DHM。

将盲算法
在2020年的一项研究中，该研究小组描述了一种算法的基础，采用了更多的反复试验的方法来进行相移。这些程序首先采用全息干涉图样的数学近似，然后盲目地重复尝试精确地恢复它们所包含的信息，直到它们的结果无法再得到改善为止。这大大减少了该过程所需的相移全息图的数量。Doblas博士解释说:“作为传统PS-DHM算法的替代方案，盲相移算法不需要精确的相移知识。”“我们提出了两种PS-DHM中精确定量相位图像的相移算法。所提出的方法最多使用三个相移全息图。

通过他们最新的实验，Doblas的团队博士现在已经清楚地证明了它们算法的四个不同的优势，与之前的PS-DHM的方法相比。首先，它们可以有效地使用最小的录制全息图，因为它们不需要准确了解相移。其次，它们在计算的相移产生了最小的误差，接近0.005％。第三，算法产生每个图像的相移与处理后的实际图像的相位之间的最大可能相关性。最后，与先前的方法相比，它们需要显着降低的处理时间。

把DHM带到实验室
由于这些众多的好处，Doblas博士和她的合作者现在希望将他们的方法扩展到复杂微观系统的全息图，这些系统会随着时间移动和改变形状。她总结道:“我们的方法的特点是准确性，减少了采集和处理时间，从而使PS-DHM系统更适合于动态成像，就像活细胞成像和胶体系统一样。”

如果Doblas博士的技术得到更广泛的应用，他们将大大提高先进显微镜技术的适用性，直到最近，许多研究人员还认为这种技术不切实际。最终，它们可能很快就会为从研究高级人工材料的复杂晶体结构的物理学家到成像微观生命系统时变行为的生物学家等群体提供研究机会。