[發明專利]一種三維實時超分辨數字全息記錄方法

有效

• 申請號: 201110389109.5
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102411298A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 袁操今;馬駿
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G03H1/12
• 分類號: G03H1/12;G03H1/22;G02B21/36
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

????本發明涉及一種三維實時超分辨數字全息記錄方法，具體地說，是利用數字全息顯微技術實現三維實時超高空間分辨率的一種成像方法，屬于三維顯微成像技術領域。

背景技術

????數字全息顯微術是近些年發展起來的一種新的顯微成像技術，現已在生物細胞成像、MEMS器件和微光學器件的檢測、微小物體的變形和振動測量中得到應用。它利用CCD或者CMOS等數字相機記錄物體與參考光干涉形成的全息圖，并利用計算機模擬衍射過程再現被記錄顯微物體的波前信息（相位和振幅），利用二者的數據信息能夠直接獲得物體的三維分布。數字全息顯微術具有如下優點：（1）不需要對物體進行掃描，利用復振幅信息直接可以得到三維數據信息，因而三維分布信息的獲取速度較快；（2）通過數字調焦技術，可獲得待測樣品各個層面的分布，不需要對物體進行切片；（3）對測量環境沒有特殊要求，而且可以直接對活體生物進行成像，不需要在物體表面鍍膜或者對物體染色；（4）測量范圍較寬可以從毫米到亞微米。

通過十幾年的發展，數字全息顯微術已走出實驗室逐步向產品化發展。瑞士Lyncee?Tec公司開發了世界上第一部數字全息顯微鏡，借助它可以完成微小物體的實時記錄，每秒可連續記錄變形過程中15幅全息圖；2009年美國專利局授權了一種可以實時記錄顯微物體全息圖的系統，該系統采用三部激光器發出的三個不同波長的光作為光源，實時記錄MEMS器件的變形過程；2008年日本研究人員在論文《Real-time?digital?holographic?microscopy?using?the?graphic?processing?unit》（Opt.?Express?(2008)16,?11776-11781）中，提出采用GPU實時再現動態全息圖的方法，利用GPU系統顯著提高了再現速度，每秒可以再現24幅全息圖，但全息圖的采集速度等同于CCD的采集速度；2010年印度研究人員在論文《Real-Time?digital?holographic?microscopy?for?phase?contrast?3D?imaging?of?dynamic?phenomena》（Journal?of?display?technology?(2010)6,500-505）中，提出的三維實時記錄系統，它的記錄速度也受限于CCD的采集速度。上述幾種典型的數字全息實時全息記錄系統，雖然都可以對顯微物體進行動態記錄，但它們所能達到的時間分辨率也僅為CCD的幀頻，空間分辨率決定于顯微物鏡的數值孔徑。2006年Xiaolei?Wang等在論文《Pulsed?digital?holography?system?recording?ultrafast?process?of?the?femtosecond?order》（Opt.?Lett.?(2006)31,?1636-1638）以及2010年Linwei?Zhu等在論文《Femtosecond?off-axis?digital?holography?for?monitoring?dynamic?surface?deformation》（Appl.?Opt.?(2010)?49,?2510-2518）提出的飛秒數字全息記錄系統雖然可以突破CCD的幀頻限制，達到飛秒量級的時間分辨率，但是這些系統的空間分辨率沒有突破顯微鏡的分辨極限，而且它不是實時采集，只能獲取幾個時間點的信息。

數字全息顯微術的分辨率和傳統光學顯微系統一樣，取決于顯微物鏡的數值孔徑（NA）以及光源的波長。當光源的波長固定，它的分辨率只與數值孔徑有關，使用大數值孔徑的顯微物鏡可以獲得高分辨率的再現像，但大數值孔徑的物鏡會使物方視場縮小、工作距離和焦深變短，這就限制了該技術在生物、醫學和材料科學方面的應用。因為在這些測量領域中，尤其是記錄一些微小物體的變形或者是微生物體的運動軌跡，不僅要求實時和高分辨率，而且要求大視場和大景深。