[论文解读] Scan-less confocal phase microscopy based on dual comb spectroscopy of two-dimensional-image-encoding optical frequency comb

Eiji Hase, Takeo Minamikawa+11 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2017

Digital Holography and Microscopy参考文献 27被引用 37

一句话总结

本文提出一种无需扫描的共聚焦相位显微技术，采用二维图像编码的光频梳与双梳光谱技术。通过将样品像素光谱编码至离散的光频梳模式，并利用双梳检测解析振幅与相位谱，该方法实现了62.4 µm的共聚焦成像深度分辨率和13.7 nm的相位成像深度分辨率，相位解缠绕通过匹配共聚焦与相位折叠周期实现。

ABSTRACT

Confocal imaging and phase imaging are powerful tools in life science research and industrial inspection. To coherently link the two techniques with different depth resolutions, we introduce an optical frequency comb (OFC) to microscopy. Two-dimensional (2D) image pixels of a sample were encoded onto OFC modes via 2D spectral encoding, in which OFC acted as an optical carrier with a vast number of discrete frequency channels. Then, a scan-less full-field confocal image with a depth resolution of 62.4 um was decoded from a mode-resolved OFC amplitude spectrum obtained by dual-comb spectroscopy. Furthermore, a phase image with a depth resolution of 13.7 nm was decoded from a mode-resolved OFC phase spectrum under the above confocality. The phase wrapping ambiguity can be removed by the match between the confocal depth resolution and the phase wrapping period. The proposed hybrid microscopy approach will be a powerful tool for a variety of applications.

研究动机与目标

• 将共聚焦成像与相位成像整合至单一无扫描显微平台。
• 利用光频梳克服共聚焦成像与相位成像之间深度分辨率的权衡。
• 实现无需机械扫描的高分辨率全视野成像。
• 通过共聚焦与相位深度分辨率的一致性，解决相位折叠模糊问题。

提出的方法

• 通过光谱编码，将样品的二维图像编码至光频梳（OFC）模式上。
• 光频梳作为具有离散频率通道的宽带光学载波，用于并行数据传输。
• 采用双梳光谱技术，以模式分辨方式解析光频梳模式的振幅与相位谱。
• 基于模式分辨的振幅谱重建共聚焦图像，深度分辨率为62.4 µm。
• 通过解码模式分辨的相位谱实现相位成像，深度分辨率为13.7 nm。
• 通过将共聚焦深度分辨率与相位折叠周期对齐，解决相位折叠模糊问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一光频梳平台能否在无机械扫描条件下同时实现高分辨率共聚焦与相位成像？
• RQ2 如何使共聚焦成像的深度分辨率与相位折叠周期匹配，以解决相位模糊问题？
• RQ3 通过2D编码光频梳的模式分辨双梳光谱技术，振幅与相位成像的可实现深度分辨率是多少？
• RQ4 能否通过将空间像素光谱复用至光频梳模式，实现全视野无扫描成像？
• RQ5 光频梳相干性在实现共聚焦与相位同时解码以支持混合显微技术中扮演何种角色？

主要发现

• 通过双梳光谱获得的模式分辨振幅谱，成功以62.4 µm的深度分辨率重建共聚焦图像。
• 通过解码模式分辨相位谱，相位成像实现了13.7 nm的深度分辨率。
• 由于共聚焦深度分辨率与相位折叠周期匹配，相位折叠模糊问题被成功解决。
• 通过光谱复用将二维空间信息编码至光频梳模式，系统实现了全视野无扫描成像。
• 该混合显微方法可在单次采集中实现高空间与深度分辨率的共聚焦与相位成像。