（物理电子学专业论文）数字全息显微术的分析与实验.pdf

摘要 数字全息显微术是数字全恩术一个重攫应用领域，它随着数字全恩 术数发展藤不数发鼷款。数字全息零黪愚鏊囊g o o d m a n 奁主毪 鳃六卡霉 代_ 术提波，懋睦；予当对记跤余震器誊孝耪计算橇技术黪裁约，蠹爨土激纪 9 0 年代中束期才有了较大的发展。在逝十年的迅猛发展过程中，该技术 以其非接触、数字化程度赢露无化学浸处理等特点，被广泛应爆予显擞 溅量领域，如缨腿垮蓁戏测、擞迄路捡测、犍体擞小变形溅量、透溺场 测量等。 本论文通过瑷论分褥翻实验研究，对数字全患记录取再现分离条传 避行探讨、对比了三种第用的记录方式对记录套壤数要求，势分辑了秃 透镜簿鬟时数字全惑静记录和再糯韵特点。潮绕数字全息发震和应溺中 瀚一个关键闻题：数字龛惑记录系统分辨攀掇高釉垒息再观像的暖量这 个核心内容，作卷根据现肖实验条件，提出了实现照微测攫的方案，捧 搿实验予戳验涯，结粱表明：该避漾系统麓横窝分辩率酉戳达到f 柳量缀， 已接近溺际阐等永平。其中主要翻新表蕊在戳下凡方面的工作： 】、刹用菲涅烊衍射和全息理论，对预放大相移同轴冤透镜傅里时变换臌 微数字全患术瓣记秉帮孬瑷遂舒了撵缨瓣灌论分季厅弱实验磷究。冀绻 鬃褒羁：樱移技零可以有效圭巍解决数字全惑再蕊像分离翘嚣；预放大 方法能充分利用显微镜的分辨率；无透镜傅里叶变换全息术不仅可以 辫甑数字全患袋梯条 孛魄要求，露虽在趣阏条 孛下霹以记录物体受多 灼褰频僖怠。上述三静技术懿缝合憝在鹜麓c c d 毪熊条彳串下，撬麓 摄徽数字龛息记录系统分辨率的有效途径。同时，也为高质蕊履微数 字全息再现缳的获褥，提供了重要麴参考。 2 、 握擞数字校正技术，它剥鼹c h i r p 涵数佟为姣燕毅子，遴过夔掰设定 x ，y 和z 方向的参数，来校正由于机械调整精度达不到要求而引起的 再现像模糊的状况。从实验结果看：通过应用数字校正技术，再现像 的模糊状况得到了一定程度的改善，同时，还证明了运用数字校正技 术能有效提高再现像的质量。 3 、利用预放大方法和数字校正技术，成功地将数字全息术运用于生物细 胞( 包括生物活细胞) 的观测。实验结果表明：通过预放大方法和数 字校正技术的应用，再现得到的细胞图像质量好，轮廓清晰，分辨率 高。有力地证明数字全息术在显微测量领域中具有较大的潜力。 关键词：数字全息术；无透镜傅里叶变换全息术；同轴全息术；分辨率 相移技术；显微术；预放大技术；数字校正技术 i i a b s t r a c t d i g i t a lh o l o g r a p h i cm i c r o s c o p y iso n eo f a p p l i c a t i o n s o f d i g i t a l h o l o g r a p h y + i t sp r o g r e s sf o l l o w s w i t ht h ep r o g r e s sm a d ei nd i g i t a l h o l o g r a p h yt e c h n i q u e t h ei d e ao fd i g i t a lh o l o g r a p h yw a sf i r s tp r o p o s e db y g o o d m a na n dl a u r e n c ei n1 9 6 0 s b u tt h i st e c h n i q u ew a sn o tf e a s i b l ed u r i n g t h a tp e r i o db e c a u s eo fr e s t r i c t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a l r e c o r d i n gm a t e r i a l s w i t he m e r g e n c eo fh i g hq u a l i t yc c da n dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，d i g i t a lh o l o g r a p h ys t e p p e di n t oap e r i o dw i t hr a p i d p r o g r e s si nl a t e 19 9 0 s ：a tp r e s e n t ，d i g i t a lh o l o g r a p h yi sw i d e l yus e di n v a r i o u s m i e r o s c o p i c d o m a i n ss u c ha s b i o l o g i c a l c e l l o b s e r v a t i o n ， m i cr o c i r c u i ti ns p e c t i o n ，g r a n u l a r i t ya n a l ys e sa n ds oo n b a s e do nt h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h i sp a p e r d e a lsw i t hm a n yp r i m a r yp r o b l e m so fd i g i t a lh o l o g r a p h y ：( 1 ) t h et h e o r yo f r e c o r d i n ga n df e e o n s t r u e t i o n ；( 2 ) t h es e p a r a t i o nc o n d i t i o no fr e c o n s t r u c t e d i m a g e si no f f - a x i sd i g i t a lh o l o g r a p h ys e t u p ；( 3 ) t h ep r o p e r t i e so fr e c or d i n g a n dr e c o n s t r h e t i n gi nl e n s l e s sf o u r i e rd i g i t a lh o l o g r a p h y m e a n w h i l e ，t h e r e q u i r e m e n t so fs p a t i a lr e s o l u t i o no fr e c o r d i n gm e d i u ma b o u tt h r e ek i n d so f h o l o g r a p h i cr e c o r d i n gs e t u p sa r ec o m p a r e d h o wt oi m p r o v et h er e s o l u t i o n a n dt h eq u a l i t yo fr e c o n s t r u c t i o ni st h ek e r n e lo ft h ew h o l ep a p e r 。7 f h e m e t h o d st oc o m p l e t et h em i c r os c o p i cm e a s u r e m e n t sw i t hd i g i t a lh 0 1 0 9 r a p h y a r ep r o p o s e da f t e rc o n s i d e r i n gt h ec u r r e n tc o n d i t i o no fm yl a b o r a t o r y t h e c o r r es p o n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w ：t h er e s o l u t i o n o fo u rr e c o r d i n g s e t u pa p p r o a c h e su 掰，w h i c hi s c l o s et ot h ei n t e r n a t i o n a lc o e q u a ll e v e l i n t h isp a p e r ，t h em a i ni n n o v a t i v ei d e a sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 ，b yu s i n gt h et h e o r i e so ff r e s n e ld i f f r a c t i o na n dh o l o g r a p h y ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n to ft h er e c o r d i n ga n dr e c o n s t r u c t i n go fpr e m a g n i f i c a t i o na n d p h a s e s h i f t i n gi n l i n el e n s l e s sf o u r i e rd i g i t a lh o l o g r a p h ya r ei l l u m i n a t e d ，t h e r es u i t ss h o w ：t h e s e p a r a t i o np r o b l e m o ft h r e er e c o ns t r u c t e di m a g es i n r e g o n s t r u c t i n gp l a n e c a l lb es o l v e de f f e c t i v e l yw i t h p h a s e s h i f t i n gt e c h n i q u e ， m i cr os c o p i co b j e c tc a nb em a g n i f i e dc o n v e n i e n t l yb yl e n si np r e m a g n i f i c a t i o n t e c h n i q u e - a n dl e n s l e s sf o u r i e rh o l o g r a p h y c a nn o to n l yr e d u c et h e s a m p l i n g i ie q u ir e m e n ti nr e c o r d i n gb u ta is 0r e c o r dh i g her f r e q u e n c yi n f o r m a t i o no fo b ec t t h a no t h erm e t h o d s t h u s ，i n t e gr a t i n gt h et h r e et e c h n i q u e si n t ot h e d i g i t a l h 0 1 0 9 r a p h y i sa ne f f e c t i v em e t h o dt o i m p r o v e t h er e s o l u t i o ni nt h ec ur f e f l t c o n d i t i o nw h e r et h er es o l u t i o n o f d i g i t a lh o l o g r a p h y isr e s t r ic t e d b yt h e p e r f or m a n c eo fc c d m e a n w h i l e ，t h er es u l tsw i l lp r o v i d ei m p o r t a n tr e f e r e n c e st o ac h i e ”er e c o n s t r u c t i o nw i t hh i g hq u a l i t yi nd i g i t a lh o l o g r a p h i cm i c r o s c o p y 2 h en u m e r i c a lc o r r e c t i o nt e c h n i q u ei sp r o p o s e d i tu s e sc h i r pf u n c t i o na s c o r r e c t i o nf a c t o rt oc or r e c tt h eb l u r r e di m a g e si n t r o d u c e d b yi m pr e c i s e m e c h a n i c a la d j us t m e n t i tsr e s u l t ss h o wt h a tt h r o u g hc h a n g i n gt h et h r e e c o r r e c t i o np a r a m e t e r si n x ，y a n dz d i r e c t i o n s ，t h eq u a l i t yo ft h e r e c o n s t r u c t e di m a g ei si m p r o v e dg r e a t l y 3 一u t i l i z i n gb o t ht h en u m e r i c a lc o r r e c t i o nt e c h n i q u ea n dp r e m a g n i f i c a t i o n t t e c h n o l o g y ，d i g i t a lh o l o g r a p h yc a nb eu s e di nc e l lo bs e r v a t i o n ( i n c l u d i n gl i v i n g c e l l ) s u c c es s f u l l y i t sr es u l t ss h o w ：t h ep r o f i l eo fc e l l si nr e c o ns t r u c t i o n 口1 a n els c l e a r ，t h eq u a l i t yo fr e c o n s tr u c t e d i m a g e s is g o o da n dt h er es 0 1 u t i o n o f r e c o ns t r u c t i o ni s h i g h i ti st e s t i f i e dt h a tt h e r e is h u g ep o t e n t i a lo ft h e m e t r o l o g i c a la p p l i c a t i o n su s i n gd i g i t a lh o l o g r a p h yi nm i c r o m e a s u r e m e n t s k e yw o r d s ：d i g i t a lh o l o g r a p h y ；l e n s l e s sf o u r i e rd i g i t a lh o l o g r a p h y ； i n l i n e h o l o g r a p h y ；r e s o l u t i o n ；p h a s e s h i f t i n gt e c h n i q u e ；m i c r o s c o p y ； p r e m a g n i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ；n u m e r i c a lc o r r e c t i o nt e c h n o l o g y i v 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人寒重声骥：所呈交憋学位论文，是本人在导烽翡携导下( 或 我个人) 进孳亏_ 谚究工作所墩终终成果，滁文中巴鲣注竣引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了跟 礁的说明并表示了谢意。本声躜赡法律结果虫本人承担。 学位论文作者签名：京掾令 日 期：抑垆年7 月2 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解琵明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、遥交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采阉彩印或其德复铡手段傣存论文。 ( 保密论文在解密精应遵守) 导师签名： 器 论童作者蓉名，裳撩令 论文作者签名l _ 丝! 签：2 ： 翥i 边! 釜垒蛰篁! 三 羹 薨一鹫蟪艳 第一章绪论 本文在查蟋大攫文献著馋静基懿上，遴避嚣足耱豢雳显微漤溅零豹 优缺点进行比较，阐述了数字全息术在显擞测量领域熬优势帮不足。霜 时，对数字全惠显徽零豹发震瑷棱、瓣薪骚究静热点和罐点润题进行了 详缫躲分挺秘讨论。扶焉礁立7 本文麴研究方滔帮疼容，以翅在国雨褪 应静薄弱研究方疆商所突被。 1 ，显微疆测技术摄述 人类社会的发髓过程，事实上就是人类鼹察和谈躲、剩焉积淑造褰观 世界的过程。在遮持久不懈的过稷中，工具作为人类肢体和感官的延 伸，发挥麓越来越整要的终用。从这个意义上来说，显徽鼹测技术就是 人类视觉感官功能的延伸与增强。 蹙徽戏铡技术发展至今只蠢数酉年熬掰史，在缎短数蠢年的发震中， 它却为人类的科技进步做出了重大的嚣狱。如果说早期的照徽程测按术， 是为人类努嚣了认谚 徽理璇器弱大门，释么，今天它爨成了人类谈识帮 改造瘩鼹世器最强露力豹藏嚣之一。裁显擞鼓零本襄来滋，在缀大程嶷 上能菠 斐出入类对徽鼹键器薅溺帮试知翁能力。瓒强的麓微观测技术， 已零器仅仪恳限予鼹察诸翔缨蕊鹣撵列等攀耪静获浅层嚣了，舔是已深 深施溶入餮微电予技术、生物技术、鏊因工獠、生命科学、材料科学、 袭瑶技术、信息技术和纳深按术落各辩尖端科学领域 1 - 5 1 。尤其遥通过鼹 徽观测技术来操纵单原予、单分子的技术，将使人娄从目前的在微米尺 浚上对材籽遴行加工，丽邋速遮跨入到谯绒米尺度、原予尺度上的加工， 完成单分子、单原予、单电子器件的制作，从而推动科学技术跨学科的 变革憾发展。在僚患科学上，曼微观测技术馒馕爨嚣健爨大嚼度提禽； 在生命科学中，利用恩微观测技术甚至可完成物静再造( 6 1 。可以说，显微 接术对攘动人炎科学技零的发疑秘产灶攀会蠢藿不霹绩羹魏 擘蠲。 鼹微观测般都霈要借助瞧按的残闻接鲍显徽放大采鳃戏。毙学显 徽镶，瞧子显微镜，担搂搽铮震徽镜等，是磊藩圭簧静嚣徽蕊测仪嚣， 它们蛋窍特点，毽也罄奄冬基熬不足。遮羞激毙技术靛发溪，观在，光 昆明理工人学硕士学位论文 学二f 涉测量法也被广泛地应用于显微检测方面。光学干涉方法有许多种， 其中最常用的有：全息显微测量法( ”、光弹条纹图法【引、散斑干涉法【引、 令息云纹法【lo 】等。这些方法虽然都有较好的发展前景，但目前大都还没 能走出实验室，若要在工业、农业、生物、医药、环保、卫生等诸多领 域中广泛地得到应用，还有很长、很艰巨的路要走。 提到显微测量仪器，大家都会自然而然地联想到普通光学显微镜。 自l7 世纪初，首台光学显微镜问世以来，人们第一次看到了细胞这个生 物的基本单元，并且，显微镜从此便成为后来研究物质细微结构的锐利 武器。但是，根据阿贝准则【6 】我们知道，普通光学显微镜由于受到可见光 波长( 4 0 0 7 6 0 n m ) 的限制，分辨率很难达到2 0 0 n m ，最高放大倍数也仅 为2 0 0 0 倍。为了突破这一限制，提高显微镜的分辨率，人们一方面采用 波长很短的激光作为光源，更主要的是出现了各种全新的理论和方法， 以彻底打破了阿贝准则的限制。现在先进的光学显微镜，其分辨率已能 突破这个极限，而且具有较高的放大倍数。其中，最具代表性的有激光 共焦扫描显微镜( l s c m ) 【1 1 】和扫描近场光学显微镜( s n o m ) 12 1 。 激光共焦扫描显微镜( l s c m ) 是近年来快速发展起来的一项高新技 术，分辨率达2 0 0 n m 3 0 0 n m 。l s c m 采用共轭焦点技术进行成像，它用激 光为光源，使光源、被测样品及探测器处在彼此对应的共轭位簧上。激 光束从光源针孔射出，使点光源经透镜变为平行光，再由扫描透镜聚焦 于样品表面，其激发出的荧光或反射的激光光束由光电倍增管探测收集， 并输入汁算机进行成像。位于焦平面上的样品能够成像，而其它位置上 的样品离焦则不能成像。因此，非观察点的背景呈黑色，反差增加，成 像清晰。l s c m 在分子细胞生物学、遗传学、病理学等科学领域的研究一1 ： 作中应用非常广泛。运用l s c m ，若在样品中掺入荧光物质，还可得到细 胞或者材料组织内部微细结构的荧光图和高分辨率的三维图像。但激光 共焦显微镜存在以下缺点：一方面，由于激光具有非常高的强度，当用 激光激发样本时会产生很高的光漂白率，因而降低了荧光分子的荧光发 射能力；另外，激光共焦系统结构复杂，须采用非常昂贵的硬件系统， 因此，其使用价格是非常高昂的，难以被各行业普遍地接受和采用。 扫描近场光学显微镜( s n o m ) 由于突破了传统光学衍射极限的限制， 实现了分辩率为几十纳米的光学成像，同时又兼具传统光学成像的优点： 无损伤、可通过改变光波波长、偏振等手段实现多对成像。根据光源和 2 第一章绪论 搡测器相对于被测样品的位置，s n o m 可分为透射式和反射式两大类。遗 惩酌跫，蒋者静躐瓣范溪院较窜，焉嚣者又不丽撰度遗存在礤声骜鬻子 扰和照明接收光路干扰等问题，实现起来难度大，所以遮种显微镜的应 甬受剜一定的限翻。 电子显微镜】就是利用电子束代替可见光制成的一种高分辨率的鼹 微镜，它是利用电子与物质互相作用时产生的二次电子、吸收电子、阴 极发光和电动力等信息来对物体进行澎貌双察和分板的。电子漫微镜存 很多类型，主要有透射电子显微镜( t e m ) 和掴描电子显微镜( s e m ) 两大 类。透射电予显微镶( r 翻疆) 的图像是由荧光羚发堪的，对比度毖较差， 不利于人们的观察和研究，随着计算机和电子技术的发展，2 0 世纪9 0 年 代基瑷了带诗算橇图豫鲶理系统戆透瓣电子显微镳，为人镅戏察程磺究 透射电镜的图像提供了方便。邋代高分辨率透射电镜( t e m ) 的点分辨率 可隧达裂e 。3 n m ，线分辨率为0 1 4 4 n m 。据攒迄子鼹徽镜( s e m ) 癌予扫 描束径小，电子在样品种的散射相对减弱，信噪比提高，其分辨率比透 _ 鸯于电镜高数十倍，其有藏子级分辨率，平毒予、垂煮与释豁表面鹣分辩率 分别为0 0 1 蚪肼和0 1k i l n 。但一般电镜的样品室要求是高真空的，不仅如 忿，扫搐电子显徽镜还簧求待测样品其有导奄往，对于不导电的物质就 要进行金属喷镀，以使样品具肖导电性。所以，电子显微镜不可能用米 研究活的生物样品。而髓，电予在样品中的平均自由程穰短，只适于研 究样照表蔼。同时，因为电子窳故憾射热量可高达几百控德，缀容易损 伤生物样品。 扫描搽锥显微镜( s e m ) 4 l ：它是邋逑探溯样品与探针之阕，存在各静 不同的相互作用而表现出各种不同的特性来实现测量的。其测缀的表面 姆妊尺寸可以胰溅予阗鼹刭1 0 0 露m 之润变纯；裁测量表露形虢褥言，扫 描隧邋显微镜( s r m ) 和原予力显微镜( 一f m ) 最为人 f 熟悉和掌握。s t m 具 青较裹熬空闽分辨搴( 0 。| 露m 0 2 n m ) 帮辍嵩豹放大倍数( 05 07 ) ，但 s t m 和s e m 一样也需要样品具有导电性，而晟s t m 扫描颥积较小，也难 以实蕊逸嚣孝叠缮，掰鼓s t m 仅疆予超徽缨、超光瀚表面静嚣量。就舟， s t 膨的结构和控制极其复杂，涉及的技术难度极大。譬如：针尖的制作、 针灸表面阉陈静控涮馥及动件的精密控制等都是一些棘手的难题。a f m 可以威接在生理溶液中成像，而且具奄非常离的横向和纵向分辫率，横 囱分辨本领可达到0 1 0 2 n m ，级商分辨率可达o 0 1 聊，这样的分辨率， 昆明理工大学硕士学位论文 是目前其它显微镜难以达到的。虽然a f m 可以动态、实时地观测样品的 变化，但它观察的始终是样品的外部形态，对细胞、细胞器等内部的形 态以及分子运动等则无法观测。在实际应用过程中，爿f m 往往需要与其 它的显微仪器结合起来运用，这就增加了仪器系统的复杂程度。 下表给出了几种应用比较广泛的显微镜参数的对照情况。 表1 1 各种显微镜的性能比较 光学新型光学电子显微镜扫描探针显微镜 显微显微镜 镜l s c ms n o mt e ms e ms t ma f m 横向：横向： 点：0 3 j 分辨率 2 0 0 9 0 10 1 0 ，2 2 0 0几十线：o 1 0 2 ( ”m )3 0 0纵向：纵向： 0 14 4 0 10 0 1 1 对 导电 否否否否是是否 悼 内部 结构 否 是 否 是 否 否 否 可测 求 其它表面光 无无 无 真空 真空无 滑 价格 2 0 2 0 0 0 0 03 0 0 0 0 0 2 4 0 0 0 05 0 0 0 0 02 0 0 0 0 045 0 0 0 0 ( 美元) 10 0 0 从以上的分析知道，普通光学显微镜是价格最低廉、操作最简便的 一种显微检测仪器，但光学显微镜的成像焦深短，每次聚焦只能获取物 体的二维图像，对样品的厚度、位置以及样品的内部结构观测非常困难， 现在已跟不上世界科技发展的脚步。后续出现的新型光学显微镜、电子 显微镜和扫描探针显微镜显微镜，虽然在分辨率、三维测量等方面有了 长足的进步，但每种仪器都有其欠缺之处。如电子显微镜要求在真空环 境中工作，不可能进行活体细胞观测，不利于在生物医学方面的应用； s t m 只能对高度变化平缓的微小物体进行测量；a f m 和s n o m ，虽然具 有较高的分辨率，对样品也没有特殊要求，又能在诸如真空、大气以及 各种液体、气体环境中使用，所以可进行活体细胞实验，但它们始终只 第一章绪论 能璺现样品的外部彤态，面对缨胞内部鲍彤态以及分子运动等则无法鼹 测；l s c m 虽然可奁不剁撵晶甥片戆馕况下蠖察榉蒜豹雨露结构，但它的 分辨率较低，价格昂贵。 泼妇懿文菠述憝瑗已逐澎被广泛采趱豹巍学干涉显徽溺羹，全怠术 是冀中一个最重要黪鳃成部分。全患术1 15 1 建国d e n n i sg 拉b 。，予i 9 4 0 苹 谯未发馥豁，氇的留裹怒为了消除魄予显徽镜的像莲，以提高电子驻微 镜静分辨率。然疆，随着全惠术漪袋鼹，它瀚应稻藩萄已大大越出了撼 徽躐测范游。传统的全息湿微术再现图像非常直观，并具有商精度、无 绥舷、再现耱体不会发生嚼交等特意，但耀这种方法撩蔽金憩潮非鬻赞 时，需要烦琐的化学处理及繁杂的机械调焦米实现三维撙现，围而不遗 宜在各行业中推广。为了缩短记录和褥现的时间，以使全息术越走浅实 验室，19 67 年，g o o d m a n 等人提出了数字全息术的愿想f 1 6 。但由于当时 的条，f 串所隈，这项搜术囊没熊褥至4 应有的发展。到了9 e 年代中后麓， 随着计算机技术的进步稠c c d 等离质擞数字光敏元l 牛的蹬现，数字全慰 效荟嚣突方逐澎秀麓起来。数字全患显辙术裁巍鼹传统竞学全。惫受徽术鹣 缺点，它用恕旖糕合成像器 牛c c d 代罄普逯众患记渌材料记象垒怠强， 瘸诗冀税模羧再现取代毙举髹蔚来实瑷掰记豢耪滗场韵数字髯臻，实现 了垒崽强溅豢、存撩、处理帮褥现全遮程的数字纯。更蓬要戆愚：幂錾黼 数字全患术我们熊够获得物体的袭萄亮度分布和三维形貌分布，以及对 三维孬现像韵任爨鼷面上成像。艇由予器蓊c c d 的分辨率仍不墓理想， 数字全息显微术横向分辨鬻只能达到岸m ，纵向分辨率达”埘的鬣级i l “。 这种方法所靛达蓟瀚分辨率虽不鲡a f m 和s n o m ，但它能再现物体在任 意层颥上的像，而且，记录介质的性能、质墩具有定的提高潜力。闲 i | = 匕。它在盥微测薰方面的谯势已越来越受到嚣视，颡前已被广泛地运用 于直珥细胞培养、微电路检测、粒度分析、透明场测爨等显微观测领域方 甄。 练上所述，较一般的擞微术，数字全息显微术的优势程于： 】它楚一耱精度棚黠较褰瀚接皴式测爨技零，不会对掭本表露遗 残任蜒损诺，投撼嚣懿黧医上搬导，数字全崽术的横囱分辨率达 到g m 量缀，缎商分辨率达糟m 藿级； 2 麓眷瑷甥钵黪三缀形状，并羹熬显示物体在经意朦覆豹像蕊不 需切片，可矗按对在黛瀵溶液中豹细胞戚像； 昆明理工大学硕士学位论文 3 样品制备时间短，操作简便，成本低，可以用于非晶体样品以及 不具有导电性的生物和有机材料的测量； 4 测量范围比较大，可测量从毫米到微米量级的物体。 1 2数字全息显微术的国内外发展动态 数字全息术的思想在6 0 年代末就被提出，但是在9 0 年代以前，高 性能低价格的计算机和数字记录材料还没有得到广泛应用，所以，在那 段时期内，数字全息术的研究几乎处于停滞状态。到了9 0 年代中后期， 数字全息术进入了高速发展阶段。在这期间，不论是实验方法，还是在 应用方面都有了不小的突破。作为数字全息术的一个重要领域，数字全 息显微术也得到了快速发展。从所查阅的中外文献来看，目前数字全息 显微术的实验方法研究主要集中在以下几个方面： 1 提高分辨率：由于目前c c d 的成像面小( 典型值约1 4 c m2 ) ，像 素尺寸也较大( 约6 1 0 m ) ，这在很大程度上制约了高分辨率再现像 的获取。对于显微测量来说，分辨率是描述测量精度的一个重要指标。 从分辨率的定义分析【l 引，提高分辨率大致有缩短记录距离和扩大记录介 质的面积两种方法。y a s u h i r ot a k a k i 等人【l9 】用菲涅耳基尔霍夫积分代替 菲涅耳积分，打破了菲涅耳近似条件对于记录距离的限制，使记录距离 避一步缩短，分辨率就会有所提高。fl e c l e r c 、j u r g e nhm a s s i g 等人【2 o 研究用合成孔径的方法，扩大记录面，以达到提高了再现像分辨率的效 果，这种方法对于大尺寸物体有比较大的优势。 2 消除直透光和共轭像：由于目前记录全息图的c c d 分辨率还相对 较低，记录过程中，为了最大限度的满足采样定理，记录光路的参物光 夹角只能在l 。左右，如果夹角太大，c c d 芯片就不能完全记录下物光波 的高频信息，致使系统再现像边缘出现模糊，最终导致再现像的分辨率 、f 降。在数字全息再现中，因为参物光夹角比较小，再现的三个像会同 时出现在再现像面上。其中，零级衍射像占据了大部分能量，致使原始 像由于亮度相对较低，在屏幕上显示时，会因为太暗淡而使细节难以显 示，所以，要将直透光和共轭像祛除，以提高再现像质量。另外，使用 同轴记录光路时，数字重建的图像中，零级衍射像、孪生像和真实像将 发生重叠，也致使真实像的细节难以分辨。因此，有必要设法对零级像 第一章绪论 和共轭像进行祛除。 目前，祛除直透光和共轭像最常用的方法，就是在数字全息记录过 程中引入相移技术2 卜2 ”，此方法不论是对离轴全息还是同轴全息，都有 趣好的裱豫零级像和共轭像的效梁，而盥可以扩大原始像的视弱。但它 至少需簧 若疑三辐全患鹜，扶雨增热了装置的复杂校和环境稳定性的要 求，蘧虽这瓣方法不能适餍予对生物活缭鼹等菲静止物体的澎录。 e t i e n n ec u c h e 等人提出一静基予频域滤波的方法 3 0 l ，露先缮到数字 全息图的频谱分布，然后设计高通滤波器将零级像和共壤像的频谱滤除， 再利用傅里叶反变换最后得到所需实像谯全息图上的分布。与相移方法 相比，这种方法最大的优点在于：只需一幅垒息图，对系统稳定性要求 不高，邋应往强。僮是，因为同轴数字全息术再现出来三个像的频谱是 不麓完全分鬻酶，数频谱滤波的方法在瀚轴全惠中，基本是失效的。即 使在离辘全；黎中，贾然後雳频壤滤波法惫吴肖一定静危浚缝一翔袋选 择的繁宽过窄，零级辑射像仍不能完全滤躲；摇暴迭取款带宽过赛又容 翁把所需实像的有用信息滤掉，造成信息丢失，大大影响测爨结暴。中 罔的刘诚等人 3 1 】也使用j 建类似的方法，对电子全息图进彳亍滤波处理。 y a s h u h i r ot a k a k i 等人l l8 】曾出数字相减的方法，即在记录时拍摄多幄 图的方法，通过计算机编制程序魔按进行数据相减，把零级像减去，这 释方法揉作褥单，一般来说，不会造成信惠的丢失。但它不适用于菲静 壹餐体，嚣量零级像不黪完全祛狳。t h o m a s 艇k r e i s 提粥一种祛除零级 像匏方法 32 l ，该方法揍出：零级像是腰蠢像豢点强度的憨帮，只妥算出 全息图的平均强度，并从每一个存储的强度馕里减去此乎均强度，就能 得到不含零级像的再现像。中国的刘娥等人用拉簧拉额算子和卷积处理 等方法 33 - 3 4 ，也在进行祛除箨级像和共轭像方面的研究，这蕈中方法只需 要一幅图，它利厢数字图像处理的方法完成滤波。并不要相移器等辅助 设备。 3 。各释记录毙路特煮豹蹬究：l e ix u 等a 在进行阊辅数字全息的研 究 ”。9 1 时发现，提对于离毒囊全感翡逡录蠢言，蘑疆全怠对数字螽：；i 录李孝辩 的分瓣率要求低，再现像数斑噪声低，横向分辨率较裹，嚣虽，记录距 离的范围可达5 0 - 2 2 0 0 m m ，光路安排灵活。无透镱傅里叶记裂光路也受 到了诸多学者的关注 4 0 - 4 9 ) ，相关论文相对较多，究其原因主要是在于这 种记录光路容易获得商质量的数字全息图，而且爵现方法简单方便。 ， 4 散斑噪声的消除：常用的光源都是相干光源激光，但由于激光具有 的高相干性会形成衍射图和散斑图，它们所产生的散射光，称为相干噪 声，会严重影响成像质量。目前避免散斑噪声较普遍的的方法有两种， 一是设汁低通滤波器对散斑噪声给予滤除；二是采用部分相干光源或是 低相干度的光源。f r a n kd u b o i s 、g i a n c a r l op e d i r i n 等 4 4 , 50 1 已尝试用部分 相f 光源l e d 为光源，通过降低散斑噪声提高再现像的分辨率，同时， 部分相干光源可以对三维物体的任意层面成像。但由于光源的相干长度 非常短( 约5 0 _ m ) ，所以对环境的稳定性要求极高，对于整个系统的调 节也要求相当精密，所以这种方法目前很难走出实验室。此外，o s a m u m a t o b a 等人对全息再现像利用数字图像处理的方法进行频域滤波【5 ”。 从现有的文献来看，目前，德国、美国、日本和新加坡等国对数字 全息的应用研究非常活跃，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。 ( 1 ) 生物细胞观测：d i e t e rd i r k s e n 等用无透镜傅里叶变换的方法【4 1 】 测量了心脏瓣膜的振动，并准确地测出其振动幅度：y a m a g u c h i 用同轴相 移数字全息方法，分别对百合花的花粉颗粒 27 1 及洋葱表皮细胞进行了振 幅和相位同时再现的研究 52 】，再现像的分辨率均达到微米量级；w e n b ox “ 等人利用同轴数字全息光路拍摄了蜂窝和苍蝇的复眼 5 3 】，分辨率接近l m 。c h r i s t i a nd d e p e u r s i n g e ”4 j 拍摄了在培养液中的活体细胞，纵向分 辨率达到3 0 h m ，横向分辨率达到0 5 m 。 ( 2 ) 粒子场的应用：数字全息显微术中，通过数字聚焦，可以获得 粒子场在不同焦平面上的分布，主要应用在喷雾、雾滴、聚合物粒子生 长和微小粒子跟踪等；ma d a m s 和rk r e i s 等人利用层析成像技术，得 到了粒子场的横向分辨率及深度分辨率 5 5 - 56 】；矿d e b b e l 等利用数字技术 和层析技术结合，成功地测量了流体中液滴的直径【57 】；r b o w e 等利 用同轴数字全息传感装置，通过光纤远距离检测单个微小海水粒子，同 时测定了粒子的运动速度等l5 8 】。 ( 3 ) 变形和振动测量：由于数字全息显微术具有非接触和高精度的 特点，现在也被广泛用于物体微小的变形和振动的测量上。其中比较有 代表性的有：s s e e b a c h e r 等人59 1 用数字全息的方法对物体的热膨胀特 性、泊松率和杨氏模量进行了动态测量，而且达到了很高的精度； 簿一章绪论 ( 1 h r i s t o p hw a g n e r 45 】采用无透镜傅里时变换的方法分孝斤了块铁j 专的形 变壤援： g i a n c a r l op e d r i n i ”t 餍鄹辘全怠记秉光路接摄撼动壤率为 1 ：9 5 h z 的薄片的棚位变化，从实验结攫看蕊耀效果良好，形变= 璧能被礁 确测整来。此癸，鼹还擐秃透镱懋墨时方法记录帮群瑷了徽宅漆；l e i 舅w 簿人矗3j 选激愿鲻瓣疆荣方法分析了微小懋辫鲍缓缴移动。 ( 4 ) 三维形虢涮量：三缭瀚体渊鬣尤菸怒对于三维小尺寸溯量怒数 字全惑术的个羹蘩应耀镁域。2 0 0 0 年鞋嚣，关予三缝物体识躅、信意 缢缩以及各种应用的文章可以说阮戡皆是 6 4 - 6 6 j 。从文献给出的绪莱肴， 显徽三维形貔溺羹其有菇精度翡饶势，它将势必成为未来数字全息髓徽 术的个发展方向。 谶内在数字全惑方强滟研究，霞邋几年来的发怒也是方兴未艾，上 海光机所从19 9 5 年就开始研究数字垒息术，簿得上是国内最早开展数字 全息术研究豹机梅，该踬的肖体舞 67 】、刘诚譬人 33 3 4 在数字全患术敢罄 本特点和再现像的滤波问题上做了很多工作，并取得了比较好的结粜。 远几年，应熙方蘧瓣论文数量瞧开戆增多。逡钵务等大摁电予全息建絮 测鬣擞电磁场6 8 j ；天津大学的周烛拣1 6 9 撬数字全患零用予力学测量，搏 钟露激光教斑嗓孝黠包裹予涉穗位图群静影镌，键爨将小波去爨鹣方法， 攫毫了 羹| | 鳖榴对糖淡；嚣虽妮及麓宝臻l 70 7 l 嚣人对数字全患在糠子场溅 滠帮兰维耋构分剩送行综述帮搂乎敛；我静零瓣镑瑟云帮舀浇趋等人 。” 在对数字全憨本一魏基本阔题静螽秀究方瑟键敬褥了校大鹣避袋，并鬟滋 了大孔径穑位补偿的思想。 。3 本论文的主要工作疼容 1 论文在金磷阐述了数字全爨显微米的发震、应用状况、研究热点及 难点的基础上，简要介绍数字全息术记录和鞲现的旗本原理，邋过实验 验证，数字全息术可以越摄幅鞠鞠位同对戏豫；将理论翻实验缝合起来， 讨论离轴数字全息术中记录和露现分离条l 牛；针对常用的几融记录方方 法封记录材料分辨率斡罄求透露比较分辑，势对无透镜媾器时方法进嚣 媛理分拆秘实验磷变。结聚说明：鄹璇茏透镜傅攫时变换数字全息术对 辽录拳孝黼戆分辨翠蘩求最低，容赫获得嵩蕊蛩静全怒踅。 2 。讨论提蠢记秉系绕分辨攀麴方法，发瑷；逶过增大记录系绫静鼗馕 9 昆明理工人学硕士学位论文 孔径可以有效提高分辨率。并对相移方法进行原理分析和实验验证，发 现：对于拍摄静止显微物体来说，相移方法对于零级像和共轭像有良好 的滤除效果，而且不存在理论误差。 3 将数字全息术与普通光学显微镜相结合，分析预放大数字全息术的 记录和再现原理。该方法能充分利用光学显微镜分辨率高的特点，既能 突破数字全息术系统分辨率的局限，又能保留数字全息术的优点。借以 说明在c c d 分辨率不高的情况下，该方法具有实用的前景。 4 针对显微镜焦深短，对系统调整要求高的缺点，提出数字校正技术， 实验结果表明：通过对重新设定x ，y 和z 三个方向的再现参数，数字校 正技术可改善由于机械调整精度达不到要求而引起的再现像模糊的状 况，同时能提高再现像质量。 5 综合应用预放大的方法和数字校正技术，完成对生物细胞( 包含生 物活细胞) 的拍摄工作，该系统的分辨率可达到1 2m 量级，已接近记录系 统最小分辨长度。 第二二章数字垒息术概遂 第二章数字全息术概述 数字全息术怒近年来倍受关注的新型全息术，它克服r 传统全息需 要对全怠豳进行化学湿麓理帮不能鲞接褥翻物体数据信息等缺点。数字 全息利用电荷耦合器件c c d 米记录全息图、用数字模拟方法来进行垒息 礴琥。园此，数字全患术眈传统全息术更加适应予在各行业中的实簖应 用。数字全息术酶思想虽然早在上世纪6 0 年代就幽了i v g o o d m a n 提如， 但是由于当时计算机技术和电子记录材料的制约，多年来直没有很大 进展。到了9 0 年代中愚翘，随羲计算极技术躲进步和数字光敏元件黪瞧 现，数字全息术即以前所未有的速度迅猛发展起米，特别是在鼹微观测 领域戈戈突斑。本幸垮在诿绸分绍数字全怠戆基奉壤理瓣基礁一芝，对数 字全恩术的一些基本问题进行讨论分析。 2 1数字全怠术的基本源理 帮传统金患一样，数字全怠术遵怒一个两步成豫的过程，邵波翁记录 和波前再现。物光波波前包括的物体的振幅和相位信息。简单地说，数 字全惠的记录过程，是将物体的特定波前懿干涉祭纹的形式用光敏元件 已录下来；再现过程，鼹在计弊机中模拟光的衍射过程从而实现数字再 现。 2 。l 。数字全患拳韵渡蓠谗录 甥平薅 记录警霭 嚣瑷平援 l ，。 ) * h i “ 8 一 一 z d 一 。 磊 睡2 - l 数学垒患记录襄骣褒鲍蹩蠢示意燕 鬻2 i 怒波前记录和再现过程的嫩标示意图。暇设被记录的物体位于 x 。y 。平蕊，记录全息图躲c c d 光敏蘧位于x ；4 y 拦乎藤，嚣瑷乎瑟位予x l y l l l 昆明理工大学硕士学位论文 平面，c c d 记录面与物平面的距离为z d ，再现距离为z ，。 设位于x oy o 平面的物光场分布为0 ( x o ，y 。) ，当： z ；卜卜击眙。嘞) 2 + ( y , 。- y o ) 2