这篇论文的研究内容由华沙科技大学的Emilia Wdowiak教授及其团队完成，发表在《Scientific Reports》期刊上。该研究聚焦于无透镜数字全息显微镜（LDHM）在生物医学和生物光子学中的应用，特别是在大视场（FOV）成像中的定量相位成像（QPI）技术。
在生物医学领域，透明样本的成像一直是光学显微镜面临的重大挑战。定量相位成像技术的出现为这一问题提供了有效的解决方案。数字全息显微镜（DHM）作为一种新兴的QPI技术，因其能够同时获取样本的相位和幅度信息而受到广泛关注。然而，现有的LDHM技术在大视场成像时，如何确保相位成像的准确性仍然是一个亟待解决的问题。为了解决这一问题，研究团队提出了一种新的方法，通过双光子聚合（TPP）技术制造大面积的相位测试目标，以验证LDHM在大视场下的相位成像一致性。
研究团队设计并制造了多个相位测试目标，并在单次拍摄和多帧迭代的双图像干扰条件下进行分析。通过对靠近探测器边缘的结构进行测量，研究人员验证了LDHM相位成像的误差，发现相位值差异小于12%。研究表明，TPP技术与LDHM和Linnik干涉仪的交叉验证相结合，要求在精确的大面积光子制造中考虑新的设计因素。这项研究为大视场无透镜相位成像的定量基准测试铺平了道路，增强了对LDHM技术的理解和进一步发展。
在研究过程中，团队面临了多个挑战。首先，双图像效应是LDHM中的主要问题，影响了相位和幅度的定量准确性。尽管已有多种方法尝试减少这一效应，但在大视场成像中仍然存在显著的干扰。其次，TPP技术在制造微结构时，存在形状偏差和相位分布失真的问题，尤其是在大面积打印时，如何保持结构的一致性和精度是一个技术难点。此外，在LDHM成像中，由于样本的复杂性和高频噪声的影响，数据处理和相位重建的准确性也受到挑战。
本研究的关键步骤包括相位测试目标的设计与制造，LDHM系统的实验设置，以及数值重建算法的应用。研究中使用了Nanoscribe GmbH的TPP设备，该设备能够精确制造微米级的相位结构，这些结构在传统的透镜显微镜中已被广泛应用，但在无透镜技术中尚未得到充分验证。研究团队利用Nanoscribe的Photonic Professional GT2设备，通过高精度的光学系统和激光二极管，构建了LDHM系统。样本在激光源和相机之间放置，记录干涉图样。为了实现相位和幅度信息的重建，研究团队采用了角谱反向传播方法和多高度Gerchberg-Saxton迭代算法来重建相位信息。
通过对不同相位变化的测试结构进行LDHM成像，研究团队评估了相位成像的灵敏度和可靠性。研究结果表明，LDHM在整个视场中的相位成像误差不超过23%，在最佳条件下中心与边缘的相位误差甚至低于12%。这些发现为LDHM在生物医学应用中的准确性和实用性提供了重要的支持，尤其是在高通量活细胞检查和早期疾病检测等领域。
总之，Emilia Wdowiak教授及其团队的研究为无透镜数字全息显微镜在大视场成像中的定量相位成像提供了重要的理论基础和实验支持。通过双光子3D打印技术的创新应用，研究不仅解决了当前技术中的痛点，还为未来的生物医学成像技术发展开辟了新的方向。未来的研究可以集中在改进制造技术、算法优化和应用扩展等方面，以进一步推动LDHM技术的实际应用。研究团队的工作不仅填补了LDHM在大视场成像中的定量验证的空白，也为未来的研究提供了新的思路和方法，具有广泛的应用前景。
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https://doi.org/10.1038/s41598-024-74866-8
