微秒量级！中国科大团队提出免光栅快速自对焦单像素显微成像技术！

在生物学、医学、材料科学和芯片制造等领域，显微镜起着至关重要的作用。然而，传统光学显微镜受衍射极限的限制，在高分辨率成像时存在一些挑战，如物镜工作距离短、景深小，难以快速聚焦。

为了提高分辨率并突破传统显微镜的衍射极限，计算显微镜应运而生。其中，单像素成像（SPI）作为一种计算成像方法，通常需要大量的模式调制来重建图像，但这一过程往往耗时较长，因此快速准确的自动对焦对于计算显微镜来说至关重要。

目前，解决自动对焦问题的方法主要有主动聚焦和被动聚焦，但它们在单像素显微成像（SPMI）中存在局限性。传统SPMI的双调制方法也未在SPMI自动对焦中得到验证，且存在诸多问题，如在不同放大倍数物镜切换时的不适用性、调整光栅和空间光调制器共轭位置的困难，以及引入光栅会干扰SPMI并导致图像质量下降等。

为了解决这些问题，中国科学技术大学龚兴龙教授、邓华夏教授团队基于单像素计算光学成像研究基础，提出免光栅傅里叶单像素显微对焦方法，充分利用了傅里叶编码光场调制的频域信息获取能力，并结合光学显微成像失焦物理机理，通过分析失焦图像的频谱能量分布，仅通过一个光电探测器的光强测量序列快速定位显微镜焦平面，将计算光学显微镜的单次对焦检测时间消耗从秒量级惊人地缩短到微秒量级。相关研究成果以“Grating-free autofocus for single-pixel microscopic imaging”为题发表于Photonics Research 2024年第6期。

SPI模式通过物镜时会与点扩散函数（PSF）卷积，导致图像模糊，PSF的σ值量化了图像的模糊程度，σ增加时高频增益迅速下降，使离焦成像系统获取的图像缺乏高频信息，而高频域对应重建图像的细节特征，因此SPMI的目标是恢复宽场高频信息。研究团队设置了双调制和免光栅调制的显微镜光路来演示免光栅自动对焦方法，关键区别在于是否使用物镜2和光栅。

图1 单像素显微成像的免光栅自动对焦原理。(a)失焦点扩散函数模型；(b)显微镜景深；(c-d)单像素显微对焦光路示意图

在双调制光路中，物镜1的离焦可表示为卷积运算，目标是调整物镜1的位置使调制模式准确聚焦在目标上。物镜2离焦会导致图案模糊，根据亥姆霍兹互易原理，光电探测器（PD）测量的信号可用于分析图像重建情况。在免光栅调制光路中，无需考虑物镜2是否离焦。

在双调制SPMI实验中，使用物镜1（4×，NA 0.1）将SPI模式成像到目标上，物镜2（10×，NA 0.25）将目标成像到光栅上，采用USAF - 1951卡作为目标、128 × 128像素模式和光栅（14线对/毫米）进行双调制。实验结果表明，双调制自动对焦的有效性受物镜2对焦的限制，该方法在SPMI自动对焦应用中无效。

图2 单像素显微成像的免光栅自动对焦流程。(a)光栅对焦原理；(b)免光栅对焦原理

而在免光栅调制SPMI实验中，可选择任意高频傅里叶系数来提高聚焦精度。通过投射模式和移动物镜，根据PD信号的最高响应值可快速捕获准确的聚焦位置。实验结果表明，SPMI系统消除了离焦，实现了免光栅干扰的清晰重建。

图3 不同放大倍数下的单像素显微对焦实验：(a) 光栅标定频域对焦；(b) 免光栅对焦

此外，通过切换不同NA物镜的自动对焦实验验证了免光栅方法的兼容性。结果表明，双调制方法会导致光栅聚焦而目标模糊，且随着物镜放大倍数的变化最终会失败；免光栅方法使SPMI系统聚焦在目标上，且恢复了高频成分，同时不受光栅与空间光调制器共轭约束的限制。

在复杂信息场景实验中，使用宫颈息肉和食管癌的样本验证了SPMI对病理切片的自动对焦能力。实验结果表明，该方法对生物样本的自动对焦是有效的。

图4 生物样本的免光栅单像素显微对焦应用

总的来说，免光栅自动对焦方法通过增强高频信息来获取真实目标的傅里叶光谱，避免了传统双调制自动对焦方法对实际傅里叶光谱的干扰和光栅干扰。该方法源于卷积性质和光学传输模型，利用SPI直接测量目标傅里叶光谱的性质，通过PD测量的电压值快速完成聚焦过程，无需后处理，对物镜离焦的灵敏度高。

未来，该方法的自动对焦速度可通过设计液体透镜或结合三步或两步相移算法来优化，还可实现不可见光的自动对焦，结合单像素相位对比成像技术有望应用于透明样本的快速自动对焦。

实验验证了该方法可使SPMI系统聚焦在目标而非光栅上，仅使用四个模式进行光调制，在DMD帧速率为22.7 kHz时，确定SPMI系统是否聚焦的时间小于180μs，通过EOG指标评估图像质量，自动对焦后图像的EOG值提高了两倍。该方法实现了NA最大为0.65、DOF小于2μm的微聚焦，且无需成像即可实现聚焦，可扩展到实现非可见光SPMI的自动对焦。这一研究成果为单像素显微成像技术的发展提供了新的思路和方法，有望在未来的科学研究和实际应用中发挥重要作用。

声明：本文仅用作学术目的。内容及图片来源于《中国激光》、《Grating-free autofocus for single-pixel microscopic imaging》；

DOI: 10.1364/PRJ.519876；如涉及版权问题，可联系工作人员删除处理。

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