用于零级抑制与高频保持动态相位成像的旋转四态数字全息显微镜

《Optics and Lasers in Engineering》：Rotary four-state digital holographic microscopy for zero-order suppression and high-frequency-preserving dynamic phase imaging

　　

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  单旋转叶片实现四态采集，用于零阶抑制。
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  最大支撑半平面滤波保留了更宽的+1阶光谱区域。
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  通过简单的低成本系统实现了约20帧/秒的动态相位成像。

引言

数字全息显微镜（DHM）是一种定量相位成像技术，它记录物波与参考波的干涉，并通过数值重建复数物波波前，从而恢复物波的振幅和相位信息 [1,2]。凭借其非接触、无标记、全场和定量成像能力，DHM已广泛应用于生物医学成像和材料表征 [[2], [3], [4]]。

在非共轴DHM中，空间载波将±1阶光谱从零阶分量移开，使得所需的+1阶光谱可以通过傅里叶域滤波隔离 [5,6]。然而，可用的光谱窗口受这些分量之间的间距限制：较窄的窗口会丢弃高空间频率信息，而较大的窗口则有被零阶或共轭光谱污染的风险。增大全轴角可以改善光谱分离，但降低了探测器空间带宽积（SBP）的有效利用率 [[7], [8], [9]]。微非共轴构型可以提高SBP利用率，但由此产生的光谱重叠使得传统傅里叶域滤波更加困难 [8,9]。

为缓解这些局限性，已开发了多种策略。自适应和自动光谱滤波方法旨在利用更合适的滤波区域提取+1阶光谱 [[10], [11], [12], [13]]。零阶抑制也通过数值滤波、全息图减法、深度学习、聚类和变分分解等方法得以实现 [[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。此外，还开发了基于插值的方法来抑制零阶干涉并改善+1阶光谱恢复 [[22], [23], [24]]。移相技术提供了另一种消除零阶的途径，包括最近开发的基于并行偏振的实现方案，可在单次曝光中采集移相全息图 [25,26]。用于微非共轴全息图的非线性重建方法还可以在光谱重叠条件下恢复物体信息 [8]。这些方法在光学构型、计算处理和采集架构之间涉及不同的权衡取舍。对于连续多态成像而言，结合重复零阶抑制和宽一阶光谱利用的紧凑低成本方案仍然非常具有吸引力。

本文提出了一种旋转四态数字全息显微镜方法，该方法将同步零阶抑制与高频保留光谱提取相结合。本研究的主要贡献在于将光电触发的旋转四态采集方案与高频保留光谱滤波策略集成在一起。单个电机驱动的叶片循环产生全息图、仅物光、仅参考光和背景四种状态，每次曝光根据叶片位置触发。四态减法后，具有局部边界加权的最大支撑半平面滤波器保留的可用+1阶光谱区域比传统圆形窗口更宽。这种集成设计降低了对大非共轴间距的依赖，为连续动态相位成像提供了一种紧凑且低成本的架构。数值模拟实验以及静态草履虫标本和活体淡水轮虫实验表明，该简单的低成本采集架构改进了高空间频率信息的保留效果并实现了连续动态相位成像。

章节摘要

四态零阶抑制与旋转采集

通常，全息图的强度分布可以表示为 [14]：$$I=|O{|}^2+|R{|}^2+O{R}^{*}+O^{*}R$$其中 O 和 R 分别代表物光束和参考光束，* 表示复共轭。 OR* 和 O*R 是全息图中可用于相位重建的±1阶光谱分量，而 |O|² 和 |R|² 贡献于零阶光谱。

因此，零阶光谱的消除可以通过收集以下强度图像来理论上实现：

数值模拟

进行了数值模拟以评估所提方法的高频保留能力和帧间运动容差。使用了一个513×513像素的草履虫相位模型作为理想物体，其中还添加了精细结构。波长为633 nm，全息面宽度为0.5 mm。为避免像差补偿算法带来的额外影响，未引入随机噪声和系统像差，也未进行额外的像差补偿。除非

实验与分析

图8展示了所提旋转四态数字全息成像系统的实验实现。采用633 nm单模光纤耦合窄线宽激光器（KYL-S-633，典型输出功率15 mW）作为照明光源。激光输出经1×2光纤耦合器分束，并由两个光纤准直器准直形成物光束和参考光束。物光束经过两个相同的10×显微镜物镜（GCO-2112，NA = 0.25），位于

结论

本研究开发了一种用于零阶抑制和高频保留相位重建的旋转四态数字全息显微镜方法。单个电机驱动叶片配合光电触发实现了所需四种状态的同步采集，而最大支撑半平面滤波在零阶抑制后保留了更大的可用+1阶光谱。模拟实验和静态草履虫实验证明了细节保留能力的改进，

资助

本研究受国家自然科学基金委员会（NSFC）[62305191]、山东省自然科学基金[ZR2024QA154]、泰山学者计划（编号：tsqn202312044）、国家重点研发计划（编号：2023YFF0722400）以及湖南省自然科学基金[2025JJ70264]资助。

作者贡献声明

何伟霖：原始论文撰写、方法论、调查研究、资金获取、形式化分析、概念构思。杨忠明：审阅与编辑、监督、方法论、资金获取。魏勇：资源、调查研究、资金获取。吴建辉：资源、调查研究。周锋：软件、资源。田鹏：方法论、调查研究。王文进：调查研究。罗敏：调查研究。郭少峰：调查研究。

何伟霖|杨忠明|魏勇|吴建辉|周锋|田鹏|王文进|罗敏|郭少峰