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lyncee

新虫 (初入文坛)

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专业: 光学

[交流] 微纳科研的黑科技——数字全息技术探索动态三维微纳世界已有4人参与

      首先对数字全息检测的基本理论进行了分析，针对目前数字全息普遍存在的再现像的精度差、相位信息的准确获取困难、零级像和共轭像干扰等的问题。通过理论分析，确定了记录光路影响再现结果的关键因素，对记录距离和物参夹角进行了理论上的分析，并且通过MATLAB模拟数字全息的记录和再现的过程，通过调整记录和再现的实验参数，验证了这些因素对全息再现结果的影响；最后对再现算法进行了理论分析，并且通过具体实验，对采集到的全息图通过频谱滤波的预处理，消除零级像和共轭像的频谱，完成了对物体的高精度三维重建。
      成果内容提要：
      显微镜技术已经有300多年的发展历史，在科研、工业领域有着广泛的应用。发展至今无论在技术还是在用户认可程度上都有很大的突破。随着国家对科研领域的重视和大量投入，分析仪器领域迎来了新的发展机遇，以数字全息显微镜为代表的高端显微镜正在逐渐成为国内的研究热点。
      在功能方面，对高品质成像和测量精度的需求极大地推动了高端显微镜的研究，尤其对于测量显微镜。近几年，由于在微观结构构建和数字图像定量分析方面的优势，使得具有数字图像分析功能的显微镜已经逐渐代替观察显微镜。目前用于微轮廓定量分析的测量仪器包括共焦扫描显微镜、扫描探针显微镜、干涉显微镜以及正在迅速发展的数字全息显微镜等。共焦扫描显微镜、扫描探针显微镜等都存在着自身的缺陷，使它们的应用领域受到极大的限制。而数字全息显微镜由于具有诸多优点，越来越得到人们的关注。研究主要集中于两方面: 一方面是完善数字全息显微技术本身，不断提高它的成像质量；另一方面是利用数字全息显微术的优点，扩大它在不同领域中的应用，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。因此，从发展趋势来看，数字全息显微镜具有广泛的应用领域和开发研究价值。
      数字全息显微技术是把传统的全息再现技术和数字图像处理技术结合起来实现观察和测量，是在显示屏上显示出物体三维结构，并对三维结构进行量化分析，比传统的光学显微镜有很多优点：第一，数字全息显微镜解决了用户的困扰，不用直接趴在目镜上面观察，给长期从事显微镜观察的用户解决了眼睛疲劳，工作效率底下的面貌；第二，数字全息显微技术的定量分析功能对用户提供了一种测量对象量化分析的手段，解决了传统方法中观察与测量相分离的问题；第三，数字全息显微技术具有动态观察和实时记录功能，对生物活体细胞观察提供了一种强有力的手段。因此，数字全息显微技术的是相关领域科学研究不可以缺少的，在其他领域也运用十分广泛。
      在数字全息技术和显微技术原有研究基础上，进行数字全息显微技术相关的理论分析、数学建模、算法实现和实验研究等基础性研究工作，从而实现纳米分辨率下的三维形貌的非接触测量，成果主要研发的内容包括如下几个方面：
      a、数字全息显微镜光学系统：光学系统是数字全息显微镜的实现基础，主要包括光源、透镜、棱镜、显微镜头和CCD五部分。
      b、数字全息显微镜光机系统：光机系统是测试系统精度的保证，主要包括光学器件的安装定位机构、载物台和三维调节机构。
      c、数字全息显微镜控制系统：控制系统是测试系统的执行机构，主要包括光源控制模块、光强调节模块、显微物镜更换驱动模块和图像采集驱动模块。
      d、数字全息显微镜软件系统：软件系统为运行于微型计算机的各种程序，主要有数字图像采集模块、图像的预处理模块、图像分析模块、通信、硬件参数配置模块、硬件实时控制模块、数据管理模块、异常处理模块和图形用户界面的实现等。
      e、数字全息显微镜人机交互软、硬件系统：人机交互功能是直接影响到系统操作性的重要内容，人机交互软、硬件系统的研发主要包括操作面板的设计和人机交互操作软件的设计（操作软件界面设计、软件界面和内部处理程序的接口设计等）。
      解决的关键科学问题有三个方面；
      a、数字全息显微技术的再现算法，使得再现像的尺寸不会随再现距离的改变而改变；
      b、数字全息显微技术误差抑制技术，获得高质量的再现像,提高测量精度；
      c、数学全息的再现距离和再现参考波矢量的调整，以提高分辨率和测量精度；
      数字全息显微成像分两步进行。首先利用光学显微术对被测物体预放大，利用光学全息术记录物体的显微全息图，通过光电探测技术将全息图数字化，最后数字再现物体的三维图像信息。数字记录原理如图1所示。系统采用离轴光路结构，基于菲涅耳衍射的重建算法，仅从一幅全息图就能提取被测样本的振幅和位相信息，实时重建原始物体像。激光束经扩束和空间滤波后分为两束平面波，即物光波O和参考光波R，被测样本首先经过显微物镜放大成像，放大的物光波与参考光相干涉，利用CCD记录形成数字全息图。各个记录元件的相对位置关系如图2所示。调整反射镜，使得参考光波与物光波之间形成适当的离轴参考角θ。数字全息显微术和光学全息术相同，可以在物光波传播途径中的任何位置记录。

图1 数字全息数字记录原理

图2 数字全息记录中各个元件的相对位置

      数字全息显微镜采用目前流行的电子显微镜的结构形式。主要由四部分组成：光学系统、光机系统、微机和控制系统。光学系统是数字全息显微镜的基础部件，主要包括光源、透镜、棱镜、显微镜头和CCD五部分。光机系统是测试系统精度的保证，主要包括光学器件的安装定位机构、载物台和三维调节机构。为了保证光学元件的准确定位，在部分光学元件的底座采用调节机构，为了实现测试物体的测试区域调节，拟采用三维调节平台带动载物台实现三维运动。微机中安装图像采集卡。控制系统是测试系统的执行机构，主要包括光源控制模块、光强调节模块、显微物镜更换驱动模块和图像采集驱动模块。