清华大学曹良才教授团队论文入选ESI高被引论文

据2023年5月份最新数据显示，清华大学精密仪器系联合意大利国家研究委员会2022年发表在 PhotoniX 期刊上的论文“Dual-plane coupled phase retrieval for non-prior holographic imaging”被ESI数据库遴选为高被引论文，目前已经受到了来自浙江大学、南京理工大学、中国科学院大学、北京航空航天大学、美国亚尼桑那大学、香港大学、印度理工学院、西班牙巴塞罗那科学技术院等课题组的研究人员广泛关注和引用。

高被引论文（Highly Cited Paper）是基于近10年发表的出版物，按每个ESI学科领域和出版年统计的引用次数排名前1%的论文。高被引论文一定程度上是科研突出和卓越影响力的指标，可用于全球范围内基于学科领域基线来做科研表现对标分析。

Dual-plane coupled phase retrieval for non-prior holographic imaging (2022)

Zhengzhong Huang, Pasquale Memmolo, Pietro Ferraro*, Liangcai Cao*

https://doi.org/10.1186/s43074-021-00046-w

准确检测光波的空间分布对于研究光与物质相互作用至关重要。数字全息术将光学成像与光散射、干涉理论结合，可对散射光场的空间分布进行定量分析，在生物样本分析、材料表征、物质结构观察等领域有着重要作用。

全息成像系统的重建吞吐量受到像素数量和相机的带宽的限制，其光学信号带宽受限于光学系统的数值孔径与相机的采样频率。离轴全息和同轴全息是两种典型的全息成像模式，离轴模式具有复振幅求解的数学完备性，但相机的像素带宽得不到充分利用；同轴模式可充分利用像素采样带宽，实质是已知衍射强度图下的光学目标重建，性能受制于迭代投影面数目、初始相位、先验假设等信息。清华大学曹良才教授团队联合意大利国家研究委员会应用科学与智能系统研究所Pietro Ferraro研究员团队发现了一种离轴优化初始相位可提供最优求解路径，其核心思路是协同光路设计提供最优初始相位，降低了传统数字全息中的相位恢复对投影数目以及对物体先验信息的依赖性，该方法结合了同轴和离轴全息术的各自优势，解决了迭代相位停滞问题，实现了快速、无先验、全带宽的定量相位重构。

光波的空间分布可反映物体与光波之间的相互作用，利用光的散射信息可反演物体内部结构分布，以波长为标尺，利用散射光的相位可以实现物体形貌结构的定量表征。传统成像器件仅能记录光波的强度信息，数字全息成像技术利用像感器记录物光波和参考光波的干涉图样，利用计算方法可同时再现光场的振幅和相位分布。

像感器仅能对光场的强度信息进行离散采样，重构的光学信息量受限于光学系统的数值孔径和图像传感器中的像素，即光学信号带宽和采样带宽，最终重构信号的总带宽为这二者的极小值。

数字全息的典型记录方式可分为两种，离轴干涉和同轴全息。离轴干涉方法可以实现单帧、实时定量振幅和相位重构，具有数学完备性，但由于各级次在频谱上需要分离，光学信号带宽至少需要小于相机带宽的1/2，造成相机带宽的浪费。同轴全息中，物光与参考光的主光线方向相同，可充分利用相机带宽以实现高空间带宽积成像，此时成像的求解问题归结为使用衍射或投影图计算目标物体，核心工具包括相位恢复、强度传输方程、快速傅里叶变换等。

多平面相位恢复源于Gerchberg–Saxton（GS）迭代，迭代过程受制于迭代投影面数目、初始相位、先验假设等信息，为了满足成像的普适性，系统在重建时期望降低所需的采集投影数目以及对物体先验的依赖。

本工作提出双平面耦合迭代算法（TwPCPR），核心思路是协同光路设计提供最优初始相位，实现不依赖物体先验假设的快速多平面相位恢复，如图1所示。系统采用马赫-曾德尔干涉光路，双相机同时记录两幅衍射强度图，并通过时分方法记录一幅离轴干涉图。

通过优化的数字滤波器提取离轴干涉图中+1级物光作为双平面相位恢复的初始相位估计，研究人员将该方法嵌入无透镜成像系统和显微系统中，同轴全息图可实现高分辨成像但伴随着孪生像噪声，而离轴全息图的重建特征正好相反。图2显示了使用TwPCPR方法迭代5次的重建结果，最终实现了全相机带宽的无孪生像重建。数值计算和光学实验结果表明，在离轴优化的初始相位作用下，显著降低了所需的投影数目以及对物体先验的依赖性，避免了迭代相位停滞问题。

图1 双平面耦合相位恢复的无先验全息成像系统示意图

图2 （a1）同轴全息图反传播重建结果；（a2）离轴全息图滤波重建结果：（b）TwPCPR（双平面耦合迭代）重建结果；（c）生物样本切片相位图

本文所提出的 TwPCPR 方法引入离轴优化初始相位提供全息相位恢复的最优求解路径，实现了双衍射平面下的快速、无先验、全带宽的定量复振幅重建。该方法结合了同轴和离轴全息术的各自优势，在无透镜系统和显微系统下展示了各种类型物体的复振幅场重建，具有高相位重建精度。重建过程中无需引入有关物体的任何先验假设，包括支撑约束、非负约束、稀疏约束等，可应用于高分辨率波前传感。基于该技术，可以进一步拓展在波前传感、计算显微和生物组织分析中的应用。