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.

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。

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。

数字全息层析显微的方法与生物学应用进展

数字全息层析(HT)显微术是一种先进的无标记三维显微成像方法,可以恢复细胞等生物样品的三维折射率分布,进而实现细胞体积、干质量等形态学和生理学参数的三维可视化。HT在数字全息显微记录和再现单幅数字全息图的基础原理上,通过旋转样品或旋转照明等方式获取多角度下全息图,然后通过投影层析或衍射层析等算法重建待测样品的三维折射率分布。综述HT中光路设计与重建算法的技术研究与生物学应用进展,为HT技术的国产化发展与应用研究提供借鉴。

数字全息术用于光学元件表面缺陷形貌测量

利用像面数字全息显微术对光学元件表面缺陷的三维形貌测量进行了理论及实验研究。设计并搭建了相应光路系统记录全息图,采用角谱算法数值重建物光场,通过相位修正消除了系统误差引入的波前畸变,获得了经过待测光学元件表面缺陷调制的物光相位分布,并根据建立的相位分布与表面缺陷面形的关系模型计算得到缺陷三维形貌。实验以多个划痕和麻点等常见表面缺陷作为测量对象,分别获得了它们的三维形貌,以其中一条实际宽度为35μm、深度为270nm的划痕为例,测量得到该划痕的宽度为35.21μm,平均深度为267.6nm,与真实值相比,横向测量误差为0.6%,纵向测量误差为0.9%。实验结果证实该测量方法是有效、可靠的,能够准确测量光学元件表面缺陷的三维形貌,因而有助于判断光学元件损伤程度以及分析缺陷对系统波前的影响,对保障高功率激光装置的安全正常运行有重要意义。

数字全息再现中的积分核近似问题研究

对数字全息再现中的菲涅耳近似核hFz和Fresnel-Kirchhoff衍射积核hz进行了理论分析。得出了在满足菲涅耳近似条件下,这两种积分核再现具有等同性,同时hFz核再现具有缩短计算时间的优点,并给出了利用hFz积分核数字再现的实验结果。而在数字全息显微术中,hz核再现可以得到高的分辨率,并进行了数值模拟。

数字全息显微术中重建物场波前的相位校正

数字全息显微术克服了传统光学显微术无法直接提取样品相位信息的缺点,可以对活体细胞组织等相位型生物样品进行定量测量和有效观察。但在数字全息显微成像过程中,像场弯曲会对再现像相位分布的测量和观察产生影响。提出一种采用相位相减来校正数字全息再现像像场弯曲的方法。通过在样品加入前后两次拍摄全息图,并对数值重建像分别进行去包裹运算再令其相减,即可实现对像场弯曲的有效校正,对蝉翼和大蒜表皮细胞等相位型物体进行测量,并采用数值校正和相位相减两种方法对像场弯曲进行校正。与现有的数值校正方法相比,利用相位相减获得样品三维相位信息的方法更为简单、可靠,是校正像数字全息再现场弯曲的有效方法。

数字全息显微术用于生物细胞相位重构与补偿的研究

讨论了数字全息显微术(DHM)相位测量中显微物镜引入的附加相位的消除问题。在DHM相位重构中,对比分析了两步法和泽尼克多项式拟合两种附加相位补偿方法,进行了相应的实验研究,实现了多种生物细胞的相位重构。研究结果表明:两种补偿方法均能有效地消除DHM系统的相位误差。对于两步补偿法,由于补偿计算需要两组数字全息图,实验记录耗时,对记录系统稳定性要求高,但采用有、无样品相位相减的补偿算法简单,能够同时补偿显微物镜带来的球面附加相位和光学系统带来的其他相位畸变,相位重构的精度高。对于泽尼克多项式拟合补偿方法,补偿计算仅需一组数字全息图,在动态相位测量中具有特别的优势,但相位重构的误差随待测细胞高度和面积的增大而增大,为提高泽尼克相位补偿法的相位重构精度,需要保证物体的光学高度或者是物体的横向面积在一个较小的范围内变化。上述结果将为DHM用于生物细胞相位重构的研究和应用提供参考。

基于双色LED芯片的双波长像面数字全息显微术

提出了一种基于双色LED芯片的双波长像面数字全息显微术。将主波长为670nm的红光芯片和主波长为521nm的绿光芯片封装成半球型LED芯片,然后利用彩色CCD相机获取被测样品在两种照明光波下的彩色相移数字全息图,最后采用色彩分离技术、相移技术及双波长相位提取技术获取被测样品的相位分布及面型分布。实验结果证明了本文方法的可行性。

利用综合复用技术拓展数字全息显微系统中的记录视场

为了解决现有数字全息显微系统中高分辨率与大记录视场无法同时兼得的问题,提出了一种在不牺牲分辨率的前提下拓展数字全息显微记录视场的方法.该方法中运用了波长不同、偏振态不同的四路相互不相干的探测物光,同时探测被测样品四个相邻的不同区域,并使这四束探测物光分别与其相应的参考光相干,在记录面上同时记录下含有被测样品不同区域信息的复合全息图.将获得的复合全息图经过频谱变换和数字滤波,分别重构出所记录区域的振幅和相位分布.最后通过图像拼接和图像融合技术,可实现接近原记录视场四倍的大视场数字全息显微记录.该方法在测量过程中无需移动记录装置、光源和被测样品,单次曝光即可实现,实验结果验证了本文所提方法的可行性.

数字全息显微术中三种相位展开算法的比较研究

为了解决数字全息显微术相位重建中的欠采样问题,引用一种基于横向剪切干涉术的改进型最小二乘法相位展开算法,并与基于离散余弦变换的原始最小二乘法算法以及质量图导向路径算法进行比较。采用欠采样高斯函数进行计算机模拟,并进行了实验验证,结果表明了横向剪切干涉术方法的有效性。上述改进型最小二乘法相位展开算法在解决包裹相位图中的欠采样问题更有效,从而能够更精准地重建物体的相位信息。

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.

基于数字全息显微术的液体透镜参数测量方法

提出了一种利用数字全息显微术测量液体透镜表面曲率半径及焦距参数的实验方法。针对液体透镜表面不能接触、直径较小、侧壁材料非透明等因素,采用具有像差校正功能的立式马赫-曾德尔干涉仪光路实验记录液体透镜液面的数字全息图,数值再现得到携带液面信息的物光波前相位分布信息,并经数值计算和拟合得到液面轮廓曲线,最终得出液面曲率半径以及液体透镜的焦距等参数,进而利用该方法对标准平凹透镜的曲率半径和焦距等参数进行了测量,以验证其正确性。结果表明,所提出的方法是一种高精度、非接触测量液体透镜液面曲率及焦距参数的有效手段。

光学技术在早期龋齿检测中的应用

介绍了光学技术在口腔医学早期龋齿无损检测领域的应用,包括基于牙齿自体荧光效应的定量光导荧光技术和激光龋齿检测技术;基于光散射效应的数字化显影光纤透照术,以及基于牙釉质双折射效应的偏振敏感光学相干断层术和偏振拉曼光谱技术。详细介绍了各种光学方法应用于龋齿检测的基本原理、实验方案和研究现状,并对不同的光学方法进行比较。最后,提出基于频域荧光寿命成像的早期龋齿检测方法,并对该方案的技术路线进行了介绍。

数字全息显微再现像横纵向尺寸与放大倍数的关系

数字全息显微再现像是物体经过显微物镜之后放大像的再现,因此,再现像和放大像的纵向尺寸易被混淆,认为再现像与放大像的纵向尺寸相等。为了辨识再现像的纵向尺寸,本文分析了数字全息显微再现像的横纵向尺寸与放大倍数的关系。首先根据光学衍射理论,对再现像的横向尺寸与放大倍数的关系和纵向尺寸与放大倍数的关系进行了理论分析,得到了数字全息显微再现像的横向尺寸与放大像相同,都被放大Mβ倍,而再现像的纵向尺寸未被放大。其次,以测量石英玻璃上刻蚀的圆孔为样本,调整样本与显微物镜的距离,以Mβ1=20.29,Mβ2=17.51和Mβ3=15.3三种横向放大倍数进行了数字全息显微实验。实验结果表明,三个再现像的纵向尺寸近似为570nm,与被测物纵向尺寸相等,未受放大倍数的影响。并且相应再现像和放大像的横向尺寸近似相等,最大差值约为0.58μm。因此,本文从理论和实验两方面证明了再现像的横向尺寸被放大了Mβ,而再现像的纵向尺寸等于被测物的纵向尺寸,不受放大倍数的影响,且可由被测物引入的光程差计算得到。本文的分析对比为准确计算数字全息显微再现像的横纵向尺寸提供技术支撑。

3D打印显微镜可以检测出血液中的新冠病毒

一款采用全息摄影和深度学习技术的数字显微镜可以利用一滴血中检测出是否感染新冠病毒。利用这项技术,只需几分钟时间就可以当场得出诊断结果,而不用再花费数小时乃至数天时间等待聚合酶链反应(PCR)测试结果。这款采用数字全息显微术(DHM)的检测仪可以在缺少医疗卫生设施的地区以及化验室积压了大量检测的医院使用。

基于同态信号处理的数字全息广义线性重建算法研究

为了提高数字全息图的重建速度和精度,本文提出了一种基于同态信号处理的数字全息广义线性重建算法.首先利用预放大数字全息显微系统并结合同态信号处理原理进行了理论分析,得到了广义线性重建算法的实现条件及重建步骤,并对该算法的优点进行了分析;然后利用计算机模拟和实验相结合的方法对理论分析进行了验证.结果表明:数字全息广义线性重建算法不仅可以有效的消除全息图频谱中零级项的干扰,实现高精度再现,而且由于采用一个完整象限的固定区域滤波,避免了常规线性算法的手动滤波操作,极大地提高了重建速度,同时最大限度地保留了原始像中的高频成分,实现全息图的高分辨重建.