综述：太赫兹成像技术的研究进展与应用前景综述

《Optics & Laser Technology》：A review of the research progress and application prospects of terahertz imaging technology

数字全息显微镜通过引入衍射光栅生成?1st、0th、+1st三个互补的物光束，实现单次拍摄三倍视场扩展，并利用傅里叶变换、频谱滤波和复振幅分离算法同步重建各视场相位信息，有效消除相位倾斜和系统像差。实验验证了该方法在分辨率目标、微透镜阵列及蜜蜂翅膀样本上的可行性，兼具高分辨率与宽视场特性，适用于高通量生物成像和高通量显微分析。

　　

Jianchao Guo|明光山|志中|刘斌|雷宇|王宇|雷刘|王丽静

摘要

数字全息显微镜（DHM）是一种强大的定量相位成像方法，能够实现无标记的3D重建，并具有纳米级的轴向分辨率。然而，由于传感器的采样限制，离轴DHM的视场（FOV）是有限的。为了解决这个问题，通过在物镜臂中引入衍射光栅来生成三个角度分离的物体光束（-1级、0级、+1级衍射），每个光束编码来自不同FOV区域的互补空间信息，并具有不同的倾斜角度。这些光束与传感器上的共同参考波进行干涉复用，从而实现单次拍摄下三倍FOV范围的空间信息捕获。通过傅里叶变换、光谱滤波和复数幅度分割进行相位重建，可以同时获取所有三个FOV的信息。通过对1951USAF分辨率目标、微透镜阵列和蜂翼的实验验证，证明了这种DHM的有效性和可行性。实验结果表明，这种DHM能够在不降低空间分辨率的情况下实现三倍FOV扩展，这表明其在需要宽场定量相位分析的其他计算成像模式中的潜力。

引言

数字全息技术是一种强大的三维成像技术，可以从记录的干涉图案中重建振幅和相位信息[1]、[2]。它能够快速、非接触式且无损地获取光学信息，因此被应用于变形分析[3]、[4]、生物医学成像[5]和显微镜技术[6]。在各种配置中，数字全息显微镜（DHM）特别适用于微尺度下的高分辨率、无标记成像。然而，DHM的性能从根本上受到传感器有限像素阵列的限制，这导致了空间分辨率和视场（FOV）之间的权衡。因此，克服分辨率-FOV之间的限制是开发下一代DHM的核心挑战。

为了解决这一限制，研究主要采取了三种策略：以传感器为中心的方法、基于扫描的方法和基于复用的方法。以传感器为中心的方法，如增加像素数量，面临制造技术和成本方面的限制。基于扫描的方法[7]通过机械扫描拼接多个子图像来扩展FOV，但这种方法本质上较慢且容易产生运动伪影，不适合动态样本。基于复用的方法[8]、[9]、[10]将多个区域的信息编码到单个全息图中，从而实现单次拍摄下的FOV扩展并保持分辨率。因此，光学复用技术受到了特别关注。

为了在单个全息图中编码多个物体区域，人们广泛探索了分束元件和全息架构。例如，Varghese等人[11]引入了无透镜循环剪切干涉技术，但其可用FOV仅限于一个小的重叠区域。其他方法，如基于菲涅尔镜和光束折叠的DHM[12]、[13]、[14]实现了FOV扩展，但需要复杂的光学对准，这影响了长期稳定性。基于透镜的配置[15]、[16]缓解了部分限制，但引入了系统体积和额外的像差。计算策略[17]、[18]可以提高分辨率，但并不能从根本上克服传感器尺寸的限制。此外，一些报道的架构[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]依赖于定制的光学组件，这在设计和实现上都带来了挑战。

此外，光栅在DHM中得到了广泛应用，提供了一种紧凑且高效的选择。衍射相位显微镜（DPM）是一种常见的共路径DHM[25]，它通过选择0级和+1级衍射来生成参考光束和物体光束，在传感器的FOV内产生稳定的干涉。Hao等人[26]开发了一种双窗口同步相位移动方案，利用光栅级间的相位差实现单次拍摄的全息成像。但传感器的可用FOV减少到了原来的1/3。Zhong等人[27]提出了一种带双窗口的散焦光栅DPM，实现了稍微离轴的全息记录，但FOV减少了一半。最近的研究中还使用了光栅来扩展FOV。光谱分离的离轴全息技术可以将有效FOV扩展到四倍[28]，但需要严格的光束聚焦控制以满足相邻物体波的角度要求。Han等人[29]使用双一维光栅和针孔滤波来扩大成像范围，但这增加了对准的严格要求并增加了复杂性。Lee等人[30]用光栅替换了镜子，构建了一种反射式离轴DHM，在多波长照明下实现了FOV加倍，但代价是系统体积增大和多源同步的复杂性。其他研究[31]将光栅衍射与光谱复用相结合，但通常需要将光栅放置在样品附近，这与某些样品不兼容且对对准要求很高。这些问题限制了它们在生物成像和大规模成像中的应用。

尽管取得了这些进展，仍然需要一种简单、稳健、紧凑的单次拍摄FOV扩展技术，该技术能够避免严格的对准要求、光栅与样品之间的紧密接触以及显著的FOV减少。在本文中，我们提出了一种基于透射光栅的离轴DHM来扩展FOV。将光栅放置在4f系统的焦平面上，生成三个衍射光束（-1级、0级、+1级），每个光束编码同一物体的不同区域。这些光束与共享的参考波干涉，产生一个空间复用的全息图。这种配置实现了单次拍摄下的三倍FOV扩展，同时放宽了对准要求并避免了光栅与样品之间的紧密接触。此外，我们引入了一种基于复数幅度分割的重建算法[32]、[33]，该算法在重建过程中自动校正了相位倾斜和系统像差。这消除了手动背景减除和载波去除的需要，从而简化了相位恢复过程。所得系统紧凑、稳定，并能够实现高保真度的宽场全息成像。

实验结果与讨论

使用图1(b)所示的装置对DHM进行了实验验证。首先对标准测试样品进行了定量相位成像，从1951 USAF分辨率目标开始评估空间分辨率。图2(a)展示了一个包含来自多个视场的叠加物体波前的原始复用全息图。相比之下，图2(b)显示了在没有样品的情况下获取的参考全息图，用于补偿系统像差和载波引起的相位误差

结论

本文提出了一种通过轴向光栅位移和空间-光谱复用来实现三倍FOV扩展的单次拍摄DHM系统。通过散焦衍射光栅，来自三个不同FOV的物体波前被光谱分离，并在单个传感器中同时记录下来。使用分辨率目标、微透镜阵列和生物样品的验证证实了在整个扩展FOV范围内能够有效恢复定量相位

作者贡献声明

Jianchao Guo：撰写 – 原始草案、方法论、数据管理、概念化。Mingguang Shan：撰写 – 审稿与编辑、资源获取。Zhi Zhong：监督、软件、资源管理。Bin Liu：验证、软件、形式分析。Lei Yu：可视化、验证、监督。Yu Wang：撰写 – 审稿与编辑、资源获取。Lei Liu：撰写 – 审稿与编辑、研究、资金获取。Lijing Wang：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（62375063）、黑龙江省自然科学基金（LH2023F028）和中央高校基本科研业务费（3072024XX0803）的支持。