反射式数字全息显微术对细胞的研究

根据全息理论和光的衍射理论,理论分析了数字全息显微术原理,并依据四步相移和最小二乘相位展开技术,研究了重构细胞相位的方法.设计了用球面光波作为参考光的反射式数字全息显微光路,通过反射式数字全息显微术的方法分析研究了新鲜洋葱表皮细胞的形貌结构.实验以新鲜洋葱表皮细胞为样本,完成了实验检测和相位重构,得到了细胞的相位和三维信息.分析表明,系统理论分辨率应达到0.8μm.

面向微光学元件表面形貌测量的涡旋相移数字全息技术

非接触、无损害的相移数字全息技术对微光学元件检测具有独特优势。因传统的相移数字全息技术需要对相移器进行精细控制和繁琐校准,同时其光路易受到机械振动干扰,导致全息再现像的质量降低。本文借助涡旋光特殊的相位分布,提出了一种基于涡旋相移数字全息的微光学元件表面形貌测量方法。该方法利用螺旋相位板调制涡旋相位,引入高精度相移。基于构建的涡旋相移数字全息显微实验装置,采用干涉极值法确定了相移干涉图之间的真实相移量,并对螺旋相位板的旋转角度与相移量的关系进行标定,实验验证了涡旋相移的可行性;对微透镜阵列进行了重复测量实验,将测试结果与ZYGO白光干涉仪的测试结果进行比较。结果表明:测量得到单个微透镜的平均纵向矢高为12.897μm,平均相对误差为0.155%。所提方法可以实现对被测微光学元件表面形貌的高精度测量,具有易操作、稳定可靠、准确性高等优点。

反射式数字全息显微术重构细胞相位实验数据处理方法研究

针对数字全息显微术可以重构细胞相位.利用球面光波作为参考光的反射式数字全息显微术重构细胞相位的实验中,理论和实验证明所记录的光场中叠加有球面光场的相位,须减除后才能得到细胞的实际相位.采用不同的方法减除球面光场所得结果不同.对不同方法及结果进行了比较,结果表明:先测量没有细胞时光场相位,再计算细胞相位的方法,优于用拟合出球面波相位计算细胞相位的方法.

基于数字全息的光场动态显微定量探测系统

该文提出一种新型检测显微样本光学参数的方法,将显微数字全息术与相位解包裹的方法相结合,搭建实验光路并编写相关算法,从而由数字全息图像获得光场物体振幅及相位信息,利用折射率计算可以得到微米级样本的真实形状与厚度。该文采用光纤的纤芯验证试验系统的准确性,将洋葱鳞片表皮细胞作为实验对象,结果证实该实验方法的有效性以及可行性。

基于数字全息显微成像的活精子检验技术进展

精子质量分析是男性生育力评估最基础的量化评估方法之一。虽然精子质量评估的方法已经发展数十年,但是目前仍迫切需要一种无需化学处理、无需染色或荧光标记、无物理侵入、大视场、高分辨和3D空间清晰表征的精子细胞成像技术。数字全息显微技术就是满足上述条件的一种方法,能够实现高分辨率成像、高速记录和高精度三维空间定位。该文从数字全息显微成像技术原理、活精子细胞全息显微成像技术、活精子细胞3D运动轨迹量化追踪、人工智能深度学习精子识别与统计算法等技术进展与应用进展方面,对基于数字全息显微技术的无标记活精子检测技术进行了综述。

反射式离轴数字全息显微光强参数研究

为了探究光强参数对于反射式离轴数字全息显微再现像质量的影响,概述了数字全息显微技术的研究现状以及影响全息图再现像质量的因素,基于菲涅尔衍射积分,论述了离轴数字全息图的记录与再现像过程,分析了一定记录距离下物光和参考光光强比对于全息图再现像质量的影响。通过控制物光路以及参考光路中滤光片的滤光能力来实现不同的物参光强比,从而记录下标准分辨率板的反射式显微全息图并进行重构。其实验结果表明:在记录距离已知的情况下,物光和参考光的光强比对反射式显微全息图再现像质量有着显著影响。因此在保证其他实验条件不变的情况下,确定适当的物参光强比是提高全息图质量的关键。通过理论分析,确定了实验的记录距离,并对该记录距离下的频谱图进行分析,验证记录距离的正确性。在相同记录距离下进行不同物参光强比下的对比实验,确定了可以实现较好重构效果的物参光强比范围。实验结果亦为进一步研究基于反射式数字全息的三维重构提供了理论依据与技术条件。

数字全息显微术对细胞的研究

通过数字全息显微的方法分析研究了新鲜洋葱表皮细胞的形貌结构.根据全息理论、光的衍射理论和透镜的相位变换性质,从理论上分析了数字全息显微原理,并依据四步相移和最小二乘去包裹技术,研究了重构细胞相位的方法.分析比较了不同参考光对数字全息显微分辨率的影响,设计了用球面光波作为参考光记录数字全息显微的装置.以新鲜洋葱表皮细胞为样本完成了实验检测和相位重构,得到了细胞的相位和三维信息,并粗略估计了细胞宽度和厚度.系统分辨率达到了1 .3μm.

基于相移技术的显微数字全息重构细胞相位

介绍了用显微镜物镜、压电陶瓷和CCD建立的一套测量细胞相位的显微数字全息光路,基于相移技术,给出了重构相位的理论分析,并用洋葱磷片叶细胞作为测试样品,完成了测量细胞相位的实验.结果表明:该系统可以完成细胞相位重构,系统分辨率不低于1μm.

预放大离轴菲涅耳数字全息显微技术

预放大离轴全息方法引入了高数值孔径显微物镜,放大了物体的精细结构,使得全息图的信息量更容易与CCD的抽样能力相匹配,与同轴全息显微技术相比,只需拍摄一张全息图,操作简单,具有良好的应用价值。依据全息理论和菲涅耳衍射理论,推导出预放大离轴菲涅耳全息显微系统中CCD记录面的二维光波信息。设计了采用平面光波作为参考光的透射式数字全息显微系统,并对系统分辨率进行了分析。利用该系统对新鲜的洋葱细胞样本和百合的茎细胞样本进行了实验研究,得到了其高分辨率的再现像。

用于海洋原位浮游生物探测的同轴数字全息显微技术研究（英文）

本文将数字全息与显微成像技术相结合,设计搭建了一套数字全息显微系统,用于对浮游生物进行光场获取。基于该系统获取的光场信息,通过在不同景深对图像进行再现,既可以获到单一浮游生物的清晰图像,也可以获得一定水体内浮游生物微粒在海水中的三维分布情况。通过实验测得系统分辨率可以达到7.8微米,景深可以达到10毫米,优于一般光学显微镜的技术指标。研究结果表明优势明显的数字全息显微系统是一种适合海洋原位探测的浮游生物研究的有效方法。基于数字同轴显微系统的水下仪器开发将是下一步工作的努力方向。

基于数字显微全息技术的相位光栅结构测量

以相位光栅为实验对象,开展了基于数字显微全息技术的相位物体三维显微结构信息的再现研究.在Mach-Zender透射式实验系统的基础上,分别采用显微物镜和无透镜放大方式,对相位光栅进行放大,以提高系统横向分辨率.在显微物镜放大系统中,菲涅耳近似数值再现算法与双波长技术相结合,抑制主要系统噪音,获得相位光栅的显微结构三维分布.在无透镜放大数字显微全息系统中,分别利用菲涅耳近似法和卷积方法再现原始物波前,并提出相减法消除系统主要球面误差,获得相位光栅的深度信息.实验结果与Veeco干涉仪测试结果比对表明,光栅周期和深度结构与干涉仪测试数据相符.

数字全息显微术中Zernike表面拟合的相位畸变自动补偿

数字全息显微技术被广泛应用于微结构样本的三维轮廓测量,然而,显微光路中离轴引入的一次相位畸变和显微物镜引入的二次相位畸变,会使再现像相位出现倾斜和弯曲,无法获得样本的正确三维信息。本文提出了一种Zernike多项式表面拟合的再现像相位畸变补偿方法,将高空间频率分布的薄样本看作是叠加在整个相位畸变上的一个小的扰动,通过Zernike多项式对整个相位表面的拟合,消除了倾斜、离焦、像散、彗差和球差的影响,实现了再现像相位畸变的自动补偿。该方法只需一幅全息图,就可以补偿多项初级像差,执行简单,速度快。以相位光栅为样本,实验验证了该方法的可行性,获得了光栅的正确三维形貌。

基于数字全息显微术的光纤连接器端面形貌检测技术

根据光纤连接器端面检测的要求,设计了运用数字全息显微术测量光纤连接器端面检测的光学系统和相应的再现方法.实验表明:该方法获得的结果清晰,可对光纤连接器端面的几何参数(如端面半径、球面顶点偏芯度和纤芯高度等)进行检测,同时可以重构端面的三维形貌.

数字全息显微术的记录及重建实验研究

对数字全息显微术原理、数字全息图的记录和重建算法进行了理论分析和实验研究.构建了基于Mach-Zender干涉仪的离轴全息图记录光路,以分辨率板为目标进行了数字离轴全息显微图的采集,数字信号后处理以及振幅、位相分布的数值重建.研究了基于菲涅耳衍射的数字重建算法,解决了数字参考光模拟,消除零级衍射和孪生像干扰及确定重建参数等问题,得到的再现像清晰.研究表明,该技术可用于微观物体的位相分布测量.

基于频谱分值差动的数字全息显微自聚焦技术

传统数字全息显微自聚焦技术通过判定关键函数的峰值或谷值确定焦平面,但其峰/谷值附近的灵敏度较低,增加了确定最佳聚焦位置的难度。该文提出了一种频谱分值差动的数字全息显微自聚焦方法,该方法首先将两个虚拟探测器以同等距离分别放置在真实探测器两侧,接着利用频谱分值函数分别得到两条普通聚焦曲线和一条频谱分值差动(DSS)曲线,最后通过搜索DSS曲线的过零点自动识别焦平面。该文以USAF相位板、海拉细胞和血液涂片为实验样本以验证所提方法的有效性,结果表明,与传统方法相比,该方法具有良好的适用性和计算效率。

余弦拟合消除相移误差在显微数字全息术中的应用

分析了在常用的四步相移中相移误差对相位重构造成的误差,给出了相移误差与相位重构误差的关系式,提出了通过干涉条纹的拟合来计算相移误差的方法,并将该方法应用于数字显微全息术测量细胞相位的实验中,得到了比较理想的细胞三维形貌.与不进行修正的结果相比较,发现相移误差造成的周期性相位重构误差,在使用后被明显地减少了,表明此方法是有效的.考虑到大多数全息图的干涉条纹比较容易识别,而且比较规则,因此该方法有比较好的通用性.

数字全息显微术应用于微器件的测量研究

利用数字全息显微测量的方法进行微器件测量,以实现微小形变或者微小位移的测量,继而进行反馈调节,实现实时监测.在学习数字全息的基本理论的基础上,建立无预放大数字全息显微测量系统,对MEMS微器件进行测量.基于菲涅耳近似的再现算法编写了数字全息再现的程序,用频谱滤波的方法对全息图中对图像质量有严重影响的零级项、孪生像进行了有效的抑制,从而使成像质量得到提高,最终获得了其再现三维轮廓,刻槽深度为160nm,栅距为430μm.

无透镜数字全息显微成像技术与应用

针对微结构和微光学元件等微小物体的表面定量检测,本文介绍了一种利用无透镜数字全息的快速、无损的显微成像方法。首先介绍了基于球面波的无透镜数字全息显微成像技术的基本原理,采用CCD作为光电转换器件,基于迈克尔逊干涉光路,设计了无透镜数字全息显微成像系统,利用反射镜构成折反式光路,系统结构简单、紧凑,提升了系统便携性。然后利用USAF1951分辨率板对构建的成像系统进行了标定实验,得出其横向分辨率为6.69μm,放大倍率为3.375,系统工作距离为12.0mm。此外,还对晶圆表面结构进行实际测量。实验验证了该系统的可行性和有效性,有望进一步应用于MEMS、微光学元件、光学元件等表面形貌的定量测量中。

基于参考透镜法的数字全息显微相位畸变校正技术

建立了数值与物理方法结合的参考透镜法,对离轴数字全息显微系统进行畸变相位校正.对离轴全息图进行频谱分析,通过频谱滤波、移位的数值方法对一次相位畸变进行校正.在参考光路中引入参考透镜,根据频谱中心能量判别参考透镜的轴向最佳位置,利用物理方法对多次相位畸变进行校正.在相位校正理论分析的基础上,结合实验用参考透镜法验证其有效性和准确性.微台阶表面形貌测量结果表明,参考透镜法能够准确校正相位畸变,通过校正的相位可以获取44nm标准微台阶形貌数据,测量标准差能够达到0.8nm,且测量结果与轮廓仪测量结果一致.表明参考透镜法能够有效、准确地校正离轴数字全息显微系统的畸变相位.

基于数字全息显微术的登革病毒感染C6/36细胞的3D形态学

目的应用一种基于数字全息显微术的活细胞成像技术,监测登革病毒(DENV)感染C6/36细胞过程中3D形态学变化,分析病毒吸附和释放触发的系列细胞形态改变方向及强度,通过不同血清型间变化差异为深入研究相关感染机制提供线索。方法 6孔板中接种不同密度的C6/36细胞,以确定全息细胞成像仪下最佳成像密度;随后由28℃常规培养调节为37℃病毒培养条件,以分析培养环境改变对细胞状态的影响;4个血清型DENV感染C6/36细胞,在孵育2 h和培养24 h期间分别设计5个观察点;借助Holo Monitor M4全息细胞成像及分析系统记录相应三维全息图及相关形态学参数并应用软件进行统计学分析。结果 4×10~5接种量下,C6/36细胞全息图显示单个细胞三维形态表现统一,细胞面积、厚度和体积离散程度均最小(P<0.05),确定其为最佳成像密度;转移至37℃、5%CO_2培养24 h后细胞厚度、面积和体积改变无显著性差异(P>0.05);孵育和培养期间4个血清型DENV组细胞面积和体积增大表现一致,但孵育期间DENV1-4均表现细胞厚度减小不同,培养期间DENV1、2细胞厚度减小而DENV3、4出现截然相反的厚度增大现象。同时,不同血清型间变化趋势及程度具有各自特异性。结论成功运用此技术实时监测登革病毒感染形态学变化过程;不同时期4个血清型间特异性细胞病变现象存在差异,对登革病毒感染机制研究具有一定的指导意义。