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数字全息显微术研究现状和发展
2013-11-14 11:41:39   来源: 瞬渺市场部   评论:0 点击:

国内对数字全息显微术的研究还处于起步阶段,相关可查文献较少,但是仍有一些单位在从事相应的工作。华东师范大学的黄燕萍、吴振德等人把光纤引入全息显微技术中,不仅简化了光学结构,而且还减小了噪声。华中科技大学的王章金等人介绍了激光全息显微摄影术。天津大学的吕且
数字全息显微术研究现状和发展

数字全息显微术是根据数字全息成像原理发展出的一种新的显微技术。按放大原理的不同,全息显微术分为全息放大和全息显微镜两种。其中全息镜又可细分为预放大全息显微镜与后放大全息显微镜。全息放大是根据衍射理论,通过全息图自身特性实现再现像的放大。全息放大主要有三个途经:缩放全息图;短波长记录,长波长再现;适当选择参考光和照明光波面的曲率半径。预放大全息显微镜是由显微物镜预先放大样本,放大后的实像(或虚像)作为全息图记录的物体,以此得到放大的全息像。后放大全息显微术则是在普通全息一记录的基础上,然后通过显微物镜来观察再现像。这种技术通常只适合于传统全息术,用普通显微物镜观察全息干板再现出的微观物体像。在以数字全息为基础的数字全息显微术中,一般只用前两种放大方法。

从现有的文献来看,目前欧、美、日和新加坡等国家的研究非常活跃,研究工作不仅包括提高数字全息分辨率的记录和再现方法,而且对数字全息的应用研究涉及的领域也非常广泛,涵盖了形貌测量、微电路检测、粒度分析、生物细胞观测、变形和振动测量,以及构件缺陷检测等领域,并取得了一些进展。 Jorge等人利用同轴数字全息显微得到了亚微米级别的横向分辨率,对横向、轴向分辨率进行了理论分析和数字模拟,并对藻类在不同温度在液体中的运动情况做了观测,设计了一种可以在水下进行显微观测的同轴全息装置。Christian D.depeuring等人拍摄了在培养液中的活体细胞,纵向分辨率达到30nm,横向分辨率到达0.5 um。瑞士Lausanne大学的研究组研制出了数字全息显微镜,其轴向分辨率达到0.2nm,横向分辨率最高达到30nm,最大视场

4.4mm。并且Lausanne大学已经和Lyumcee tec公司合作生产出了产品,产品分为透射式和反射式两种,分别适用于透明和不透明的样品,可以用于动态物体的实时观测。瑞士Lausanne大学的研究组利用他们研制的数字全息显微镜完成了对微透镜的面型的检测,其最大优势就是能够方便的检测非球面透镜。他们还利用该显微镜对高数值孔径物镜的点扩散函数进行了研究和测量还利用数字全息显微镜绘制了老鼠的活体神经细胞的三维图像。

国内对数字全息显微术的研究还处于起步阶段,相关可查文献较少,但是仍有一些单位在从事相应的工作。华东师范大学的黄燕萍、吴振德等人把光纤引入全息显微技术中,不仅简化了光学结构,而且还减小了噪声。华中科技大学的王章金等人介绍了激光全息显微摄影术。天津大学的吕且妮提出了成像于CCD面上的数字显微像面全息技术,同校的葛宝臻提出基于4f系统消除全息显微中附加透镜相位的方法。昆明理工大学的袁操今等人提出了利用无透镜傅里叶变化成像的预放大全息显微术,并记录研究了洋葱等生物细胞。山东大学的苏静利用全息相衬干涉显微术研究了一水甲酸铿单晶生长和(110)面边界层的特性。另外西北工业大学的范琦等分析了改善数字全息显微术分辨率的几种方

法。

目前,国际上数字全息显微成像的分辨率已经达到横向亚微米量级、轴向纳米量级,这对于大多数工业检测和生物医学检测与监测来说,已经达到了足够的要求。

 

1.4研究意义

1.数字全息显微技术能够记录和再现物体的三维信息,且具有较高的分辨率。与传统光学显微镜相比,数字全息显微术的最大优点就是可以记录下微观物体的三维信息。这种显微技术的分辨率可以达到微米级,尤其适合于对细胞及亚细胞大小物体的观察测量。

2.对样本物体的影响较小。数字全息显微术以非接触的方式测量、记录样本,对样本的损害非常小,因而可以如实记录样本的原始结构,特别适合于对活体生物细胞等方面的研究。

3.设备简单,成本低廉。近年发展起来的现代显微镜系统已经具有非常高的分辨率,好些达到了原子级的水平,但这些系统往往结构复杂,价格昂贵,有些还不容易保养。数字全息技术的发展己日趋成熟,其设备和操作都较简单,在不是过分要求分辨率的情况下,选择数字全息显微术可以节省工程成本。

4.操作便捷,测量快速。多数高分辨率的现代显微镜系统均采用逐点扫描采样的方式,因此记录一个完整的样本需要花费许多时间。数字全息显微术可以在单次曝光下记录样本完整的信息,能够做到实时监测样本的动态变化。

5.对测量环境要求不高。一些现代显微系统对测量环境和样本有着较高的要求,如电子显微镜必须工作在高真空环境下,而且还需样本导电,扫描探针显微镜要求样本比较光滑等。而数字全息显微术没有过多要求的限制(11)。

1.5本文主要研究内容

本文对实现数字全息方法进行了比较,在为了达到更高分辨率的基础上,利用预放大同轴无透镜傅里叶变换全息技术设计出一种基于马赫-曾德干涉仪原理的光学系统,并利用相移型正弦光栅的衍射特性对再现像的质量进行优化,消除了共轭像与零级像的影响。给出了零部件的参数,计算出了在几个物镜放大情形下能够达到的最大分辨率,且分析出了在没有外加精密的位移系统时,系统能达到的分辨长度。

2 全息的基本理论

2.1全息术的基本原理

全息术按物理意义可称为波前的记录和重现, 这是英国物理学家丹尼斯·盖博于1948年提出的两步无透镜成像技术。盖博研究波前记录和重现的原始推动力是为了提高电子显微镜的分辨率。盖博从理论和实验上证明,用一个参考光波和物体衍射的光波干涉,可以完全记录物光波的振幅和相位信息,并且由这样一张记录的干涉图对照明光波的衍射,可以重现原来物体的像。

为了对全息术的特性有一个概括的了解,我们首先分析一下全息术和普通摄影之间的联系和区别。全息术和普通摄影都是以光波作为信息的载体,以光信息的存储和显示作为目的。但是二者之间在下述各个方面却存在根本的区别。

在原理上:普通摄影是将物体的光强分布记录在二维感光材料上,只保留了物体的振幅信息,而丢失了位相信息,因此从普通的“照片”完全的不到深度和视差的感觉。而全息术是利用物光波与参考光波的干涉,或者物光波对参考光波的调制,完全记录物光波的复振幅。全息图上不仅存储了物体的振幅信息E0(x,y),而且存储了物体的位相信息Ф0(x,y)。这样的及结果完全不同于照片,一般来说,不可能直接在全息图上观察到物体的像。但是,如果用一束适当的光波照射全息图,通过衍射,就可以重现原来记录的光波,人眼接收到重现的光波,就如同通过全息图这个“窗口”直接观察真实的物体一样,可以利用视差效应,获得真正的三维效果。

成像方法和工艺上:普通摄影基于几何光学原理,利用透镜等光学元件,在物体的共轭像面上记录,照片的缺损会造成信息的永远丢失。而全息术对物体信息的记录或编码可在物光波传播途径中的任意位置进行,编码方式是不唯一的,从而衍生出各种类型的全息图。

此外,全息术对物体信息的记录是高度吭余的,因此从全息图的局部既可再现完整的物体像。除此之外,全息术和普通摄影在光源性质,记录装置,记录材料等方面,也存在着不同程度的差别。


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