Doubling the Field of View in Common-Path Digital Holographic Microscopy via Wavelength Scanning and Polarization Gratings

إليك ملخص تقني مفصل للورقة البحثية بعنوان "مضاعفة مجال الرؤية في المجهر الرقمي الهولوغرافي ذو المسار المشترك عبر مسح الطول الموجي وشبكات الاستقطاب."

1. بيان المشكلة

يوفر المجهر الرقمي الهولوغرافي (DHM) ذو المسار المشترك مزايا كبيرة مقارنة بالأنظمة التقليدية ذات الذراع المرجعية، بما في ذلك التصميم المدمج، والاستقرار العالي ضد الاضطرابات البيئية، والقدرة على استخدام الضوء شبه المتماسك لتقليل ضوضاء التبقّع (speckle noise). ومع ذلك، فإن العيب الرئيسي في تكوينات القص الكلي (حيث يتداخل شعاع الجسم مع نسخة مزاحة جانبياً) هو تداخل الجسم مع نسخته على الكاشف.

• القيد: في إعدادات القص الكلي القياسية، إذا كانت العينة كثيفة أو ممتدة، فإن النسخة المزاحة تتداخل مع الجسم الأصلي، مما يسبب تلاشي الإشارة ويمنع تصوير البنى البيولوجية المعقدة.
• الحلول الحالية والقيود: اعتمدت الطرق السابقة لحل هذه المشكلة (مثل R2D-QPI) على المسح الميكانيكي (الترجمة المحورية للشبكات) لتغيير قيمة القص. أدى هذا إلى حدوث تآكل ميكانيكي، واهتزازات، وحد من سرعة الاستحواذ، مما جعلها غير مناسبة لمراقبة العمليات البيولوجية الديناميكية. أما الطرق الأخرى التي تستخدم الترشيح منخفض التردد أو عالي التردد (المعتمدة على الـ Cepstrum) فغالباً ما كانت تقلل من مجال الرؤية (FOV) الفعال أو تقمع مكونات الطور منخفضة التردد.

2. المنهجية: wsR2D-QPI

يقترح المؤلفون طريقة wsR2D-QPI (تصوير الطور الكمي بمضاعفة مجال الرؤية وإزالة النسخة عبر مسح الطول الموجي)، وهي نهج مبتكر يلغي الحركة الميكانيكية من خلال التحكم في قيمة القص عبر مسح طول الإضاءة الموجي.

أ. الإعداد البصري

• التكوين: مقياس تداخل ذو مسار مشترك باستخدام وحدة شبكة استقطاب (PG) تتكون من شبكتين متطابقتين مرتبتين على التوالي.
• الآلية: يقوم النظام بتقسيم شعاع الإضاءة إلى رتبتي حيود ($\pm 1$) باستقطابات دائرية متعامدة. ثم يقوم مستقطب خطي بإعادة دمجهم لإنشاء التداخل.
• التحكم في القص: يتم تحديد القص الجانبي ($\tau$) بين الشعاعين بواسطة زاوية الحيود ($\theta$)، وهي تعتمد على الطول الموجي وفقاً لمعادلة الشبكة ($\theta_\lambda = \sin^{-1}(\lambda/d)$). ومن خلال تغيير الطول الموجي للإضاءة ($\lambda$)، تتغير قيمة القص دون تحريك أي أجزاء ميكانيكية.

ب. أوضاع القياس

تدعم الطريقة وضعين متميزين للاستحواذ:

1. مسح الطول الموجي في النطاق الزمني: إضاءة متتالية بأطوال موجية مختلفة (على سبيل المثال، خطوات قدرها 5 نانومتر) يتم تسجيلها بواسطة كاميرا أحادية اللون. يسمح هذا بضبط المعلمات بمرونة واستعادة عالية الجودة.
2. وضع اللقطة الواحدة (Single-Shot): إضاءة متزامنة بطولين موجيين منفصلين (على سبيل المثال، 464 نانومتر و630 نانومتر) يتم تسجيلها بواسطة كاميرا ملونة (RGB). يتم فصل الإطار الواحد إلى قناتي الأحمر والأزرق لتوفير البيانات اللازمة لإعادة البناء، مما يتيح دقة زمنية عالية.

ج. خوارزمية إعادة البناء (wsMRR)

جوهر الطريقة هو خوار الخوارزمية wsMRR (إزالة النسخة متعددة القص عبر مسح الطول الموجي)، والتي تعالج سلسلة من الهولوغرامات لفصل معلومات الطور المتداخلة.

• التصحيح اللوني: بما أن تغيير الطول الموجي يؤدي إلى ظهور زيغ لوني (تشتت طولي وتغيرات في التكبير المستعرض)، تتضمن سلسلة المعالجة ما يلي:
  • إعادة التركيز الرقمي: باستخدام طريقة الطيف الزاوي (ASM) لتصحيح التشتت لكل طول موجي.
  • التحجيم الهندسي: تصحيح التكبير عبر الاستيفاء ثنائي التكعيب (bicubic interpolation).
  • تحجيم الطور: ضبط قيم الطور بناءً على العدد الموجي ($k = 2\pi/\lambda$).
• الفصل: تقوم الخوارزمية بفصل معلومات الطور للجسم الأصلي ($\varphi_{+1}$) والنسخة ($\varphi_{-1}$) تحليلياً من التداخلات المتداخلة، مما يضاعف مجال الرؤية القابل للاستخدام فعلياً.

3. المساهمات الرئيسية

• ابتكار الآلية: استبدال المسح الميكانيكي للقص بـ مسح الطول الموجي، مما ألغى عدم الاستقرار الميكانيكي وزاد بشكل كبير من سرعة الاستحواذ.
• التقدم الخوارزمي: تطوير خط معالجة مسبقة للتعويض عن الزيغ اللوني المتأصل في مسح الطول الموجي، مما يتيح استعادة الطور بدقة عالية.
• التشغيل ثنائي الوضع: إنشاء وضعين للتشغيل:
  • وضع الجودة العالية: المسح في النطاق الزمني للعينات الثابتة مع تحسين متوسط الضوضاء.
  • وضع السرعة العالية: التصوير الملون بلقطة واحدة للعمليات الديناميكية.
• الحفاظ على الترددات المنخفضة: على عكس الطرق المعتمدة على الـ Cepstrum التي تستخدم الترشيح عالي التردد، تحافظ هذه الطريقة على مكونات الطور منخفضة التردد، مما يضمن تمثيلاً دقيقاً للبنى واسعة النطاق.

4. النتائج التجريبية

تم التحقق من صحة الطريقة باستخدام أهداف الطور، الخلايا العصبية، ومزارع الخميرة الديناميكية.

• المقارنة مع المسح الميكانيكي:
  • أنتج وضع مسح الطول الموجي إعادة بناء للطور بـ ضوضاء خلفية أقل (انحراف معياري أقل) وتجانس أعلى مقارنة بطريقة الترجمة الميكانيكية للشبكة.
  • نجحت الطريقة في إزالة تداخل النسخ في العينات الكثيفة، واستعادة خرائط الطور غير المضطربة لكل من مجموعتي "N" و "R" لهدف الدقة.
• تحليل المعلمات:
  • الخطوة الطيفية ($\Delta\lambda$): هناك حاجة لخطوة مثالية؛ فالخطوة الكبيرة جداً تسبب عيوباً بسبب عدم كفاية أخذ العينات من الجسم في الإطارات المزاحة، بينما الخطوة الصغيرة جداً تحد من إعادة بناء الترددات المنخفضة.
  • عدد الإطارات ($N$): زيادة $N$ تحسن متوسط الضوضاء ودقة الترددات المنخفضة، لكن الجودة تصل إلى مرحلة التشبع بعد نقطة معينة. العامل الحاسم لدقة التردد المنخفض هو حاصل ضرب $(N-1) \cdot \Delta r$ (الإزاحة الكلية).
• أداء اللقطة الواحدة:
  • نجحت في تصوير المزارع الخلوية العصبية وخلايا الخميرة الديناميكية التي تتحرك بفواصل زمنية قدرها 0.2 ثانية.
  • على الرغم من أن وضع اللقطة الواحدة كان يمتلك نسبة إشارة إلى ضوضاء أقل قليلاً من وضع المسح (بسبب عدد الإطارات الأقل)، إلا أنه نجح في توضيح البنى الدقيقة والحركات الديناميكية دون ضبابية الحركة.
• المتانة: أظهر النظام مرونة تجاه الضوضاء، حيث أظهر وضع مسح الطول الموجي قدرات فائقة في متوسط الضوضاء مقارنة بالطرق أحادية الإطار أو الميكانيكية.

5. الأهمية

يمثل هذا العمل أداة متعددة الاستخدامات لتصوير الطور الكمي (QPI) تتغلب على المقايضة الأساسية بين الاستقرار، السرعة، ومجال الرؤية في المجهر الرقمي الهولوغرافي ذو المسار المشترك.

• الأثر الطبي الحيوي: يتيح مراقبة العينات البيولوجية الكثيفة (مثل بنية الأنسجة) والعمليات الديناميكية (مثل هجرة الخلايا أو انقسامها) بدقة مكانية وزمنية عالية.
• تبسيط النظام: من خلال إزالة مكونات المسح الميكانيكي، يصبح النظام أكثر متانة، وقابلية للتكرار، وأسهل في الضبط، مما يجعله أكثر ملاءمة للتطبيقات المختبرية والسريرية العملية.
• الإمكانات المستقبلية: تفتح قدرة اللقطة الواحدة آفاقاً جديدة لدراسة الديناميكيات الخلوية السريعة، بينما تسمح الإطار الخوارزمي بتحسينات مستقبلية، مثل استخدام القناة الخضراء لتعزيز جودة إعادة البناء.