[论文解读] Resolution analysis in a lens-free on-chip digital holographic microscope

Jialin Zhang, Jiasong Sun+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2019

Digital Holography and Microscopy参考文献 43被引用 6

一句话总结

本文对无透镜片上数字全息显微镜（LFOCDHM）中的分辨率限制进行了全面的理论分析，推导出五个考虑了样品到传感器距离、照明相干性、像素尺寸和重建子视场的传递函数模型。研究发现传感器像素尺寸是主要限制因素，并通过仿真和实验表明，优化系统参数并使用像素超分辨率技术可显著提升分辨率，理论模型能够准确预测分辨率极限。

ABSTRACT

Lens-free on-chip digital holographic microscopy (LFOCDHM) is a modern imaging technique whereby the sample is placed directly onto or very close to the digital sensor, and illuminated by a partially coherent source located far above it. The scattered object wave interferes with the reference (unscattered) wave at the plane where a digital sensor is situated, producing a digital hologram that can be processed in several ways to extract and numerically reconstruct an in-focus image using the back propagation algorithm. Without requiring any lenses and other intermediate optical components, the LFOCDHM has unique advantages of offering a large effective numerical aperture (NA) close to unity across the native wide field-of-view (FOV) of the imaging sensor in a cost-effective and compact design. However, unlike conventional coherent diffraction limited imaging systems, where the limiting aperture is used to define the system performance, typical lens-free microscopes only produce compromised imaging resolution that far below the ideal coherent diffraction limit. At least five major factors may contribute to this limitation, namely, the sample-to-sensor distance, spatial and temporal coherence of the illumination, finite size of the equally spaced sensor pixels, and finite extent of the image sub-FOV used for the reconstruction, which have not been systematically and rigorously explored until now. In this work, we derive five transfer function models that account for all these physical effects and interactions of these models on the imaging resolution of LFOCDHM. We also examine how our theoretical models can be utilized to optimize the optical design or predict the theoretical resolution limit of a given LFOCDHM system. We present a series of simulations and experiments to confirm the validity of our theoretical models.

研究动机与目标

• 系统研究无透镜片上数字全息显微镜（LFOCDHM）中影响成像分辨率的物理因素。
• 推导定量传递函数模型，以考虑样品到传感器距离、照明的空间与时间相干性、传感器像素尺寸以及重建子视场范围的影响。
• 为预测和优化LFOCDHM系统的分辨率极限提供理论框架。
• 通过受控仿真和使用分辨率靶标的实验验证理论模型。
• 为未来高分辨率LFOCDHM系统的设计提供指导，并为分辨率退化提供计算补偿策略。

提出的方法

• 推导五个传递函数模型，以表征：样品到传感器距离、照明的空间与时间相干性、有限像素尺寸以及有限重建子视场对成像分辨率的影响。
• 使用反向传播算法从记录的数字全息图中进行数值重建，获得聚焦图像。
• 应用像素超分辨率（SR）算法，从多个低分辨率全息图测量中合成有效亚像素分辨率。
• 在实验中采用变量控制法，一次隔离一个或两个参数，以验证理论预测。
• 使用分辨率靶标对成像分辨率进行定量评估，并验证模型准确性。
• 基于推导的传递函数建立前向图像形成模型，以支持未来分辨率补偿的逆问题求解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无透镜片上数字全息显微镜（LFOCDHM）中，限制分辨率的主要物理因素是什么？
• RQ2 样品到传感器距离、照明相干性、像素尺寸以及重建子视场如何分别影响系统的分辨率性能？
• RQ3 像素超分辨率算法在多大程度上可以缓解有限传感器像素尺寸导致的分辨率退化？
• RQ4 所推导的传递函数模型能否准确预测给定LFOCDHM系统的理论分辨率极限？
• RQ5 如何利用理论模型指导光学设计的优化以提升分辨率？

主要发现

• 传感器像素尺寸被确定为LFOCDHM中成像分辨率最关键的限制因素，像素越大，混叠越严重，高频信息损失越不可逆。
• 即使采用像素超分辨率，像素尺寸越大，所需的上采样因子也越高，导致无法完全恢复的交叉频率间隙。
• 使用激光光源可提高时间相干性并增强分辨率，而增加光源到样品的距离可改善空间相干性。
• 减小样品与传感器之间的距离（z₂）可提高相干性并改善分辨率，但会减小有效重建区域。
• 理论模型能基于传递函数的最小首次截止频率准确预测分辨率极限，从而实现对超分辨率后可实现分辨率的初步估计。
• 实验验证证实了所有理论模型的准确性，仿真与物理测量结果在分辨率靶标测试中保持一致。