无相位移结构光照明显微术在离轴数字全息显微成像中的分辨率增强研究

本文提出了一种创新的无相位移结构光照明显微术(SI-DHM)，通过调制物光和参考光仅需两幅全息图即可实现超分辨率成像。该方法摒弃传统三步相位偏移技术，通过光谱相减直接分离高频成分，有效规避相位估计误差，显著提升离轴数字全息显微(DHM)的成像效率与质量。研究验证了该技术在振幅/相位分辨率靶标和草履虫纤毛成像中的优越性，为生物细胞动态观测提供了新方案。

　　

亮点
本研究基于预放大DHM系统开发了无相位移的离轴结构光照明显微技术(SI-DHM)。该技术通过偏振态调控实现物光/参考光的结构化照明调制，仅需两幅全息图即可通过光谱相减分离衍射极限外的高频成分，在简化算法复杂度同时显著提升成像分辨率。

原理
传统离轴DHM受显微镜数值孔径(NA)限制，仅能捕获低频物体频谱（图1a浅蓝区域）。本技术通过结构化照明调制产生频谱平移（图1b红/绿箭头），使高频信息（深蓝区域）移入可探测带宽。通过物光调制全息图I_obj与参考光调制全息图I_ref的光谱相减，消除共有的低频成分，最终重构出包含±1级高频信息的超分辨率图像。

模拟验证
以512×512像素分辨率靶标（物理尺寸5mm×5mm）为对象进行仿真。结果显示：传统DHM无法分辨9.77μm间距线条（图2b），而本方法成功解析特征（图2d），相位重构精度达3rad。

光学配置
基于马赫-曾德尔干涉光路（图6），采用532nm激光源与半波片(HWP₁)调控偏振方向。旋转HWP₂可切换物光/参考光的条纹调制模式，配合20×/0.4NA物镜实现系统NA扩展至0.8。

结论
该无相位移SI-DHM技术通过双光路调制策略，在保持离轴全息优势的同时突破衍射极限。对草履虫纤毛的相位成像表明，多方向结构化照明能显著提升生物亚细胞结构解析度，为活细胞动态观测提供高效解决方案。