浅析“数字全息显微术”

谢建军　蒲俊红

摘 要：全息术是一种获取三维影像的技术，显微镜是观察微小物体的工具，而数字全息显微术就是将全息术与显微镜相结合的技术。文章介绍了数字全息显微术的原理、特点以及应用。

关键词：全息，三维成像，显微

中图分类号：N04；TN26 文献标识码：A 文章编号：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

作者简介：谢建军（1977—），男，湖南邵阳人，硕士，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心发明专利审查员，研究方向为光信息处理技术等。通信方式：xiejianjun126@163.com。

引 言

传统全息术是一种获取三维图像的技术，能够将物体的灰度和形状信息记录在全息干板上，通过显影定影后制成全息图，用光照射全息图就能看到物体的三维影像。显微镜是观察微小物体的工具，通过目镜能看到微小物体的放大图像。随着激光技术、数码技术以及计算机技术的发展，数字全息显微术应运而生。数字全息显微术通过数码相机获取被摄物体的全息图，从而获得数字化的全息图；且由于使用了显微物镜，获得的全息图是被摄物体局部细节的放大图像。通过数字全息显微术，并且通过通信网络的传送，人们在显示器上就能够随时随地观看物体的三维显微图像。为了使读者对数字全息显微术有所了解，下面针对该技术的原理、特点以及应用前景进行简要的介绍。

一 数字全息显微术的原理

数字全息显微术分为两个阶段：第一阶段是全息图的记录，第二阶段是全息图的再现。下面参照图1介绍数字全息显微术。

1.全息图的记录

图1为记录全息图的光学系统。氦氖激光器（HeNe laser）发出激光束通过半波片经偏振分束棱镜（PBS）分为两束光，其中一束光经反射镜M1反射后经扩束准直器（expander）后形成平行光，该

图1 数字全息记录系统

平行光照射透明物体（sample）后进入显微物镜1（MO1），通过显微物镜1后经分束棱镜（BS）到达图像传感器（CCD）。由于该光束透射透明物体，携带了物体的信息，从而被称为物光。经偏振分束棱镜分出的另一束光经一半波片后通过扩束准直器后经反射镜M2反射进入显微物镜2（MO2），经显微物镜2后经分束棱镜到达图像传感器，该光束没有携带物体信息，称为参考光。物光和参考光在图像传感器上形成干涉图样，称之为全息图；由于是记录在图像传感器上，光信号转换为电信号，即全息图被数字化，因此被称为数字全息图。这里需要说明两点：第一，由于在物体前使用了显微物镜1，其用于显微成像，所以得到的是物体的显微图像；第二，显微物镜2的作用并不是用于显微成像，因此，记录全息图时可有可无，是否使用显微物镜2，决定了第二阶段中全息图再现中使用的模拟参考光的种类。

2.全息图的再现

传统全息图的再现指的是使用参考光波照射全息干板上的全息图，从而获得物体的三维影像。与传统全息图的再现不同，数字全息图的再现是在计算机中使用模拟参考光与图像传感器获得的数字全息图做乘法运算，从而获得物体的数字三维图像。图1的光学系统中参考光经过的光路中使用了显微物镜2，因此决定了在全息图的再现中使用的模拟参考光为球面参考光，具体而言就是一个球面波的数学表达式，该球面波的半径等于物体到图像传感器的距离。如果参考光路中不使用显微物镜2，参考光为一平面参考光，则在全息图的再现中使用的模拟参考光为平面参考光，具体而言就是平面光波的数学表达式。

二 数字全息显微术的特点

从数字全息显微术的名称来看，可知其具有三个技术领域的特点。

首先是数字技术领域。由于数字全息显微术是用图像传感器记录全息图，所以获得的全息图是数字全息图，具有普通数字图像的特点：能够通过网络传输到世界任何地方；能够存储在存储设备中，对存储条件没有任何要求；能够在计算机中进行图像处理，在对数字全息图再现前可以进行滤波处理，在图像的频域能够滤除不需要的频率成分，从而起到图像滤除噪声的作用，这个特点是传统全息图不具有的。

其次是全息技术领域。由于数字全息显微术记录的是数字全息图，与其他数字图像相比，除了具有物体的灰度信息外，还具有物体的相位信息，即物体的三维形状信息。通过物体的相位信息，从而能够还原物体的三维形状，这个特点是普通数字图像不具有的。

最后是显微技术领域，数字全息显微术能够记录和再现物体的灰度和相位信息，且具有较高的分辨率，其分辨率可以达到亚微米量级，尤其适合对生物细胞的观察测量。对生物细胞进行观察时，数字全息显微术以非接触的方式测量记录样本，对样本无损害，因此可以对活体生物细胞进行研究。

三 数字全息显微术的研究进展及应用前景

数字全息显微术在显微测量领域具有广泛的应用，如在生物细胞观测、粒子场观测、物体微小变形的测量、物体微小形貌测量等领域都有研究应用。

在微光学元件使用过程中，其面形误差、表面粗糙等技术参数直接影响微纳光学元件以及整个光学成像系统的性能，因此定量检测微纳元件的三维面形信息成为微光学元件和微纳系统发展中的重要技术问题。近年提出的激光扫描共聚焦显微术、扫描隧道显微术和原子力显微镜等多种显微成像技术，均需要精确的扫描装置，导致系统结构复杂。数字全息显微术具有全视场、非接触和无损伤的优势，它的出现为微纳元件的三维面形检测提供了一种新的方法，是目前最具发展潜力的微纳结构检测技术。瑞士学者科隆（T. Colomb）等[1]利用数字全息显微术对微镜这种微电力机械系统（MEMS）元件进行了动态监测，并取得了很好的检测效果。

在生物医学和生命科学研究中，人们期望通过这种可视化的观测获得细胞的形态和内部结构、生理学参数、细胞动态特性等。数字全息显微术尤其适用于生物样品的测量。目前，国内外许多研究机构都正在致力于这方面的研究。瑞士的C.Depeursinge研究组，测量了上皮细胞、花粉、活的阿米巴原虫和老鼠神经元细胞的生理学参数，利用反射型和透射型离轴预放大数字全息系统均获得了0.5微米的横向分辨率，纵向分辨率分别为20纳米和40纳米，并且基于此基础上成立了Lynee Tee 高技术公司，发展了仪器化的数字全息显微镜[2-3]。

参考文献

[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.