2021-03-08
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撰稿 | 西安电子科技大学 王宇 郜鹏
数字全息显微中自动调焦技术及其应用（封面）(特邀）
西安电子科技大学 物理与光电工程学院
研究背景
万物积微而著，微观世界的奥秘往往蕴藏了宏观问题的本质，这是人类不断探索微观世界的不竭动力。光学显微镜，自16世纪诞生以来一直作为人们认识微观世界的重要手段，在生物医学、材料化学、工业检测等领域发挥着不可替代的作用。然而，传统的光学显微镜利用样品对光波的吸收/散射来形成衬度，对于透明样品则无能为力。此外，传统的光学显微镜一般通过手动或电动调焦来获得物体清晰的图像（如图1所示），无法对运动物体或动态过程进行实时观测。
随着科技的不断进步，光学显微技术迎来蓬勃的发展，其中数字全息显微技术(Digital Holographic Microscopy, DHM)将数字全息和显微技术相结合，通过记录被样品反射或透射的物光波与参考光干涉形成的全息图，不仅可以实现对透明样品的高衬度成像，而且可以获得样品厚度、折射率分布等定量信息。此外，通过计算机模拟物光波的衍射传播还可以实现对被测样品的数字调焦[2]。与传统光学显微镜机械调焦方式相比，数字调焦具有速度快、精度高等优点，有助于实现对运动物体或动态过程的跟踪观测和实时干预。原理上，DHM的数字调焦可以概括为两步：1.数字获得离焦距离，即全息图到物体像面的距离；2.利用光波的传输理论将探测器平面的光场传播到样品的像面。如何选择合适的自动调焦评价算法来精确获得离焦距离，是DHM实现自动调焦的关键，也一直是数字全息显微技术中的研究热点。
主要内容
作者首先着重介绍了DHM中自动调焦技术中不同离焦量获取方法：基于锐度度量、能量集中度、振幅模量分析、稀疏度测量以及不同照明调制的离焦量获取方法(自动调焦评价函数)。之后概略介绍了自动调焦技术在单细胞成像、识别、追踪、生物组织三维成像，以及环境检测中粒子追踪等方面的应用。最后，作者分析总结了自动调焦技术的优缺点，并简要展望了数字全息显微中自动调焦技术的未来发展趋势。
基于全息图离焦距离的数字获取方法
数字全息显微中自动调焦技术的应用
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展 望
数字全息显微(DHM)技术无需荧光标记、能够高衬度地观测透明样品，还能定量测量样品的三维形貌和折射率分布，在生物医学、材料化学、工业检测等领域具有重要应用价值。DHM自动调焦技术能够对运动样品或动态过程进行快速、精确调焦，尤其在生物医学领域日益发挥着不可替代的作用。目前，DHM自动调焦技术业已成为数字全息显微技术中的一个研究热点，今后还将会朝着计算速度快、重构精度高、不局限于样品特性等目标快速发展。尤其是随着计算机技术和人工智能的不断推广，自动调焦的速度和准确性将会达到进一步的提升，有望在生物医学、材料化学、工业检测等领域得到更加广泛的应用。
参考文献
[1].https://image.baidu.com/search/detail?ct=503316480.
[2].Vicente Micó, Juanjuan Zheng, Javier Garcia, Zeev Zalevsky, Peng Gao. Resolution enhancement in quantitative phase microscopy[J]. Advances in Optics and Photonics. 2019, 11(1): 135-214.
[3].Wolfgang Osten, Ahmad Faridian, Peng Gao, Klaus Körner, Dinesh N. Naik, Giancarlo Pedrini, Alok Kumar Singh, Mitsuo Takeda, Marc Wilke. Recent advances in digital holography[J]. Applied Optics. 2014, 53(27): G44-G63.
王宇，男，硕士生，目前从事相位显微成像方面的研究。曾获2020年陕西省科技工作者创新创业大赛“三等奖”(排名第5)、西安电子科技大学第十二届“挑战杯”大学生创业计划竞赛“银奖”，西安电子科技大学第六届“校长杯”创新创业大赛“铜奖”。
郜鹏，男，西安电子科技大学教授、博士生导师。主要研究方向为：超分辨光学显微、相位显微以及荧光相关光谱技术。迄今在Nature Photonics、Advance of Optics and photonics等学术期刊发表研究论文50余篇、授权发明专利6项。研究工作曾被选为期刊封面、美国光学学会-研究热点，并被海外媒体ScienceDaily，Physics News等所报道。2011年入选“中科院百篇优秀博士论文”，2012年德国“洪堡学者”，2014年欧盟“玛丽居里学者”(IEF)，2020年陕西省青年科技奖。目前是中国激光杂志社青年编委、红外与激光工程青年编委、全息与光信息处理专委会委员、生物光子学委员会高级会员、波兰自然基金委评审专家。
引用格式
Wang Yu, Wen Kai, Zhang Meiling, Ma Ying, Liu Min, Zheng Juanjuan, Gao Peng. Autofocusing techniques in digital holographic microscopy and their applications （Cover paper） (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(2): 20200530. doi: 10.3788/IRLA20200530
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