淺析“數(shù)字全息顯微術(shù)”

謝建軍　蒲俊紅

摘 要：全息術(shù)是一種獲取三維影像的技術(shù)，顯微鏡是觀察微小物體的工具，而數(shù)字全息顯微術(shù)就是將全息術(shù)與顯微鏡相結(jié)合的技術(shù)。文章介紹了數(shù)字全息顯微術(shù)的原理、特點以及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：全息，三維成像，顯微

中圖分類號：N04；TN26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0041-03

Digital Holographic Microscopy

XIE Jianjun PU Junhong

Abstract：Holography is the technology to get threedimensional image of a object. Microscope is the tool to observe a microobject. Digital holographic microscopy combines the holography and microscopy. The article introduces the principle， characteristics and application of the digital holographic microscopy.

Keywords：holography ， threedimensional image， microscopy

收稿日期：2014-06-26

作者簡介：謝建軍（1977—），男，湖南邵陽人，碩士，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心發(fā)明專利審查員，研究方向為光信息處理技術(shù)等。通信方式：xiejianjun126@163.com。

引 言

傳統(tǒng)全息術(shù)是一種獲取三維圖像的技術(shù)，能夠?qū)⑽矬w的灰度和形狀信息記錄在全息干板上，通過顯影定影后制成全息圖，用光照射全息圖就能看到物體的三維影像。顯微鏡是觀察微小物體的工具，通過目鏡能看到微小物體的放大圖像。隨著激光技術(shù)、數(shù)碼技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字全息顯微術(shù)應(yīng)運而生。數(shù)字全息顯微術(shù)通過數(shù)碼相機獲取被攝物體的全息圖，從而獲得數(shù)字化的全息圖；且由于使用了顯微物鏡，獲得的全息圖是被攝物體局部細(xì)節(jié)的放大圖像。通過數(shù)字全息顯微術(shù)，并且通過通信網(wǎng)絡(luò)的傳送，人們在顯示器上就能夠隨時隨地觀看物體的三維顯微圖像。為了使讀者對數(shù)字全息顯微術(shù)有所了解，下面針對該技術(shù)的原理、特點以及應(yīng)用前景進(jìn)行簡要的介紹。

一 數(shù)字全息顯微術(shù)的原理

數(shù)字全息顯微術(shù)分為兩個階段：第一階段是全息圖的記錄，第二階段是全息圖的再現(xiàn)。下面參照圖1介紹數(shù)字全息顯微術(shù)。

1.全息圖的記錄

圖1為記錄全息圖的光學(xué)系統(tǒng)。氦氖激光器（HeNe laser）發(fā)出激光束通過半波片經(jīng)偏振分束棱鏡（PBS）分為兩束光，其中一束光經(jīng)反射鏡M1反射后經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直器（expander）后形成平行光，該

圖1 數(shù)字全息記錄系統(tǒng)

平行光照射透明物體（sample）后進(jìn)入顯微物鏡1（MO1），通過顯微物鏡1后經(jīng)分束棱鏡（BS）到達(dá)圖像傳感器（CCD）。由于該光束透射透明物體，攜帶了物體的信息，從而被稱為物光。經(jīng)偏振分束棱鏡分出的另一束光經(jīng)一半波片后通過擴(kuò)束準(zhǔn)直器后經(jīng)反射鏡M2反射進(jìn)入顯微物鏡2（MO2），經(jīng)顯微物鏡2后經(jīng)分束棱鏡到達(dá)圖像傳感器，該光束沒有攜帶物體信息，稱為參考光。物光和參考光在圖像傳感器上形成干涉圖樣，稱之為全息圖；由于是記錄在圖像傳感器上，光信號轉(zhuǎn)換為電信號，即全息圖被數(shù)字化，因此被稱為數(shù)字全息圖。這里需要說明兩點：第一，由于在物體前使用了顯微物鏡1，其用于顯微成像，所以得到的是物體的顯微圖像；第二，顯微物鏡2的作用并不是用于顯微成像，因此，記錄全息圖時可有可無，是否使用顯微物鏡2，決定了第二階段中全息圖再現(xiàn)中使用的模擬參考光的種類。

2.全息圖的再現(xiàn)

傳統(tǒng)全息圖的再現(xiàn)指的是使用參考光波照射全息干板上的全息圖，從而獲得物體的三維影像。與傳統(tǒng)全息圖的再現(xiàn)不同，數(shù)字全息圖的再現(xiàn)是在計算機中使用模擬參考光與圖像傳感器獲得的數(shù)字全息圖做乘法運算，從而獲得物體的數(shù)字三維圖像。圖1的光學(xué)系統(tǒng)中參考光經(jīng)過的光路中使用了顯微物鏡2，因此決定了在全息圖的再現(xiàn)中使用的模擬參考光為球面參考光，具體而言就是一個球面波的數(shù)學(xué)表達(dá)式，該球面波的半徑等于物體到圖像傳感器的距離。如果參考光路中不使用顯微物鏡2，參考光為一平面參考光，則在全息圖的再現(xiàn)中使用的模擬參考光為平面參考光，具體而言就是平面光波的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

二 數(shù)字全息顯微術(shù)的特點

從數(shù)字全息顯微術(shù)的名稱來看，可知其具有三個技術(shù)領(lǐng)域的特點。

首先是數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域。由于數(shù)字全息顯微術(shù)是用圖像傳感器記錄全息圖，所以獲得的全息圖是數(shù)字全息圖，具有普通數(shù)字圖像的特點：能夠通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞澜缛魏蔚胤?；能夠存儲在存儲設(shè)備中，對存儲條件沒有任何要求；能夠在計算機中進(jìn)行圖像處理，在對數(shù)字全息圖再現(xiàn)前可以進(jìn)行濾波處理，在圖像的頻域能夠濾除不需要的頻率成分，從而起到圖像濾除噪聲的作用，這個特點是傳統(tǒng)全息圖不具有的。

其次是全息技術(shù)領(lǐng)域。由于數(shù)字全息顯微術(shù)記錄的是數(shù)字全息圖，與其他數(shù)字圖像相比，除了具有物體的灰度信息外，還具有物體的相位信息，即物體的三維形狀信息。通過物體的相位信息，從而能夠還原物體的三維形狀，這個特點是普通數(shù)字圖像不具有的。

最后是顯微技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)字全息顯微術(shù)能夠記錄和再現(xiàn)物體的灰度和相位信息，且具有較高的分辨率，其分辨率可以達(dá)到亞微米量級，尤其適合對生物細(xì)胞的觀察測量。對生物細(xì)胞進(jìn)行觀察時，數(shù)字全息顯微術(shù)以非接觸的方式測量記錄樣本，對樣本無損害，因此可以對活體生物細(xì)胞進(jìn)行研究。

三 數(shù)字全息顯微術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景

數(shù)字全息顯微術(shù)在顯微測量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如在生物細(xì)胞觀測、粒子場觀測、物體微小變形的測量、物體微小形貌測量等領(lǐng)域都有研究應(yīng)用。

在微光學(xué)元件使用過程中，其面形誤差、表面粗糙等技術(shù)參數(shù)直接影響微納光學(xué)元件以及整個光學(xué)成像系統(tǒng)的性能，因此定量檢測微納元件的三維面形信息成為微光學(xué)元件和微納系統(tǒng)發(fā)展中的重要技術(shù)問題。近年提出的激光掃描共聚焦顯微術(shù)、掃描隧道顯微術(shù)和原子力顯微鏡等多種顯微成像技術(shù)，均需要精確的掃描裝置，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。數(shù)字全息顯微術(shù)具有全視場、非接觸和無損傷的優(yōu)勢，它的出現(xiàn)為微納元件的三維面形檢測提供了一種新的方法，是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ奈⒓{結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)。瑞士學(xué)者科?。═. Colomb）等[1]利用數(shù)字全息顯微術(shù)對微鏡這種微電力機械系統(tǒng)（MEMS）元件進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測，并取得了很好的檢測效果。

在生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)研究中，人們期望通過這種可視化的觀測獲得細(xì)胞的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、生理學(xué)參數(shù)、細(xì)胞動態(tài)特性等。數(shù)字全息顯微術(shù)尤其適用于生物樣品的測量。目前，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都正在致力于這方面的研究。瑞士的C.Depeursinge研究組，測量了上皮細(xì)胞、花粉、活的阿米巴原蟲和老鼠神經(jīng)元細(xì)胞的生理學(xué)參數(shù)，利用反射型和透射型離軸預(yù)放大數(shù)字全息系統(tǒng)均獲得了0.5微米的橫向分辨率，縱向分辨率分別為20納米和40納米，并且基于此基礎(chǔ)上成立了Lynee Tee 高技術(shù)公司，發(fā)展了儀器化的數(shù)字全息顯微鏡[2-3]。

參考文獻(xiàn)

[1] Krhn J， Colomb T， Montfort F，et al. Realtime dualwavelength digital holographic microscopy for MEMS characterization[J]. SPIE， 2007， 6716（8）：1-10.

[2] Charriere F， Rappaz B， Kuhn J， et al. Influence of Shot Noise on Phase Measurement Accuracy in Digital Holographic Microscopy [J]. Opt.Express，2007，15（14）：8818-8831.

[3] Colomb T， Krivee S， Hutter H， et al. Digital holographic reflectometry [J]. Opt. Express，2010，28（4）：3719-3731.