[发明专利]一种三维实时超分辨数字全息记录方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种三维实时超分辨数字全息记录方法，具体地说，是利用数字全息显微技术实现三维实时超高空间分辨率的一种成像方法，属于三维显微成像技术领域。

背景技术

    数字全息显微术是近些年发展起来的一种新的显微成像技术，现已在生物细胞成像、MEMS器件和微光学器件的检测、微小物体的变形和振动测量中得到应用。它利用CCD或者CMOS等数字相机记录物体与参考光干涉形成的全息图，并利用计算机模拟衍射过程再现被记录显微物体的波前信息（相位和振幅），利用二者的数据信息能够直接获得物体的三维分布。数字全息显微术具有如下优点：（1）不需要对物体进行扫描，利用复振幅信息直接可以得到三维数据信息，因而三维分布信息的获取速度较快；（2）通过数字调焦技术，可获得待测样品各个层面的分布，不需要对物体进行切片；（3）对测量环境没有特殊要求，而且可以直接对活体生物进行成像，不需要在物体表面镀膜或者对物体染色；（4）测量范围较宽可以从毫米到亚微米。

通过十几年的发展，数字全息显微术已走出实验室逐步向产品化发展。瑞士Lyncee Tec公司开发了世界上第一部数字全息显微镜，借助它可以完成微小物体的实时记录，每秒可连续记录变形过程中15幅全息图；2009年美国专利局授权了一种可以实时记录显微物体全息图的系统，该系统采用三部激光器发出的三个不同波长的光作为光源，实时记录MEMS器件的变形过程；2008年日本研究人员在论文《Real-time digital holographic microscopy using the graphic processing unit》（Opt. Express (2008)16, 11776-11781）中，提出采用GPU实时再现动态全息图的方法，利用GPU系统显著提高了再现速度，每秒可以再现24幅全息图，但全息图的采集速度等同于CCD的采集速度；2010年印度研究人员在论文《Real-Time digital holographic microscopy for phase contrast 3D imaging of dynamic phenomena》（Journal of display technology (2010)6,500-505）中，提出的三维实时记录系统，它的记录速度也受限于CCD的采集速度。上述几种典型的数字全息实时全息记录系统，虽然都可以对显微物体进行动态记录，但它们所能达到的时间分辨率也仅为CCD的帧频，空间分辨率决定于显微物镜的数值孔径。2006年Xiaolei Wang等在论文《Pulsed digital holography system recording ultrafast process of the femtosecond order》（Opt. Lett. (2006)31, 1636-1638）以及2010年Linwei Zhu等在论文《Femtosecond off-axis digital holography for monitoring dynamic surface deformation》（Appl. Opt. (2010) 49, 2510-2518）提出的飞秒数字全息记录系统虽然可以突破CCD的帧频限制，达到飞秒量级的时间分辨率，但是这些系统的空间分辨率没有突破显微镜的分辨极限，而且它不是实时采集，只能获取几个时间点的信息。

数字全息显微术的分辨率和传统光学显微系统一样，取决于显微物镜的数值孔径（NA）以及光源的波长。当光源的波长固定，它的分辨率只与数值孔径有关，使用大数值孔径的显微物镜可以获得高分辨率的再现像，但大数值孔径的物镜会使物方视场缩小、工作距离和焦深变短，这就限制了该技术在生物、医学和材料科学方面的应用。因为在这些测量领域中，尤其是记录一些微小物体的变形或者是微生物体的运动轨迹，不仅要求实时和高分辨率，而且要求大视场和大景深。