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文 献 综 述 一、前言 芯片无透镜成像是指使用数字光电传感器阵列，例如电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片，直接对通过样品传输的光进行采样，在物体和传感器平面之间无需任何成像透镜。作为传统光学显微镜的替代品，无透镜成像具有大视场、高分辨率、高空间宽带积、紧凑轻便、设计简洁、价格低廉等优点，在生物医学，工程和物理科学等众多领域有广阔的应用前景。 本综述将围绕无透镜显微成像的研究概况、发展现状、未来趋势展开。 二、研究概况 高分辨率大视场显微成像在生物医学，工程和物理科学等众多领域发挥着不可或缺的作用，尤其是在生物医学领域，是包括细胞周期测定、数字病理学和高通量生物筛选等众多生物医学应用中不可或缺的工具。然而，这种基于传统显微镜的系统在视场和分辨率间存在固有的矛盾。而作为传统光学透镜的替代品，无透镜全息技术能够有效地解决传统显微成像中空间分辨率和视场间的矛盾，理论上能同时实现高分辨率与大视场。但是，由于传感器像素大小、图像拍摄时的随机扰动以及相位恢复的次优解问题等诸多限制因素，早先的无透镜显微成像在横向分辨率和信噪比方面只能获得局限的成像质量。 而最近发展出的计算显微镜技术，比如合成孔径显微[1-4,14]，傅里叶叠层显微成像[5,24]和无透镜超分辨全息成像[6-12,15-17,20-23]，为获取高分辨率大视场图像提供了新的解决方案。在这些技术中，无透镜超分辨全息成像能实现接近传感器全视场的大等效数值孔径（NA），并且不需要任何透镜以及中间光学材料。这进一步大幅简化了成像系统，并有效地规避了传统透镜成像系统中固有的光学像差和色差。另外，整个系统能够实现小型化、经济化，可以减少资源匮乏环境中床边检测的医疗费用。 |
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三、发展现状 为了同时实现高分辨率和大视场，无透镜全息成像技术主要面临两个挑战：相位恢复和空间欠采样。相位恢复实际上是解决计算成像领域非常常见的反向问题的过程。另一方面，光学系统传递的大量信息不能被充分采样的原因是，现代成像物镜的空间宽带积通常远远大于光电成像传感器芯片的像素数量。通过依次进行像素超分辨和相位恢复算法，可以独立地解决这两个问题。通过使用迭代像素超分辨算法[23]合成出更小尺寸的等效像素，可以减轻由大视场带来的空间欠采样现象。传统的像素超分辨方法基于对光源、传感器或者样品进行亚像素级位移。近年来，基于波长扫描[17]的方法也被提出。常见的相位恢复算法有基于物面支持的单光强测量技术，Gerchberg-Saxon算法，合成孔径法，强度等式转移法（TIE）等。 但是依次解决这两个问题也意味着需要处理大量数据，带来沉重的计算成本。Wei Luo等人在2016年提出了传播相量法[22]，将两个问题纳入统一的数学框架中，显著提升了数据利用效率。 近年来，许多无透镜成像系统问世，并且有一种明显的发展趋势，即将样品尽可能贴近传感器放置以实现一倍放大率。与其他传统全息成像设备相比，这种结构不仅能够减少对光源相干性的要求，同时还具有等同于传感器芯片有效面积的更大视场。而无透镜成像系统研究目前的主要目标是实现大视场、高分辨率以及小型便携化。 左超等人在2015年提出了一种基于紧凑的芯片平台（仅包含一个CMOS成像传感器以及一个可编程彩色LED阵列）的无透镜定量相位成像和衍射相干断层成像[20]。他们利用多波长相位恢复技术以及多角度照明衍射相干断层成像技术，同时实现了大视场（24）和高分辨率（的横向分辨率以及）。 2015年，Antonio C Sobieranski等人提出了一种便携式无透镜大视场显微镜平台[16]。他们将电子共轴全息技术与多帧率像素超分辨技术结合，同时实现了的空间分辨率和约30的视场。他们的平台集成了成像传感器和计算成像处理模块，能够为资源有限情景下的床边检测提供广泛的应用。 左超等人在2017年提出了一种新的自适应无透镜像素超分辨技术（APLI）[27]。这种方法没有借助亚像素扫描或者光束角控制，仅利用Z轴扫描来解决像素混叠问题。凭借位置误差自动校正算法以及自适应弛豫策略，他们大幅改善了图像重建的鲁棒性和信噪比。 左超等人在2017年提出了用环形孔径代替传统的圆形孔径以解决部分相干光会降低分辨率等问题[21]。该技术首次使得基于光强传递函数的量化相位成像技术能实现高达的横向分辨率（有效数值孔径NA=2.66）。 四、未来趋势 无透镜显微成像与传统的光学显微镜相比，具有以下优点[13]：（1）能将视场与空间分辨率解耦合，随着光电传感器的迅速发展，集成显微镜的空间宽带积将大幅增加；（2）可以为3D筛选提供更大的视场和景深；（3）紧凑化、轻型化，利于实现多功能的芯片集成；（4）设计简洁，成本较低。 当然，它也有空间分辨率有限、难以对荧光物质和较厚样品进行成像、缺乏标准化计算处理工具等缺点。在实际应用中，这些缺陷会影响图像重建的效果和速度。为了在未来进一步提高无透镜显微成像的表现，这些问题亟需解决。计算显微镜应用的另外一个重要限制因素是对计算能力的需求，但随着微处理器的最新进展，图形处理单元（GPU）现在甚至出现在我们的手机上，大幅降低了计算成本，这将是无透镜成像技术未来发展的关键推动因素[13]。 参考文献： [1] Javier Garciacute;a, Pascuala Garciacute;aMartiacute;nez, Mico V , et al. 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