全息显微术的优化与应用

计算机层析成像技术（computed tomography，CT）通过探测物体多个角度下的透射场数据来重建出物体内部的结构，最早的理论基础可以追溯到1917年澳大利亚数学家Radon的研究成果，他从数学上证明了通过无限多个角度下的投影数据可以恢复出物体的内部结构，不过当时Radon的研究成果并没有受到重视。直到1971年，世界上第一台应用于临床诊断的CT扫描仪在英国诞生，它通过获取人体不同角度X射线的透射投影信息重建出人体的内部结构，这一装置给临床医学领域带来了开创性的进展。从此计算机断层成像技术作为一门新兴技术而受到广泛的关注。

数字全息显微层析成像技术最早是在2006年瑞士科学家F.Charri6re等人首次实现的。通过旋转样品的方法，获取样品物体多角度下的数字全息图，再从全息图中计算出透射光的相位信息，利用断层成像中的滤波反投影算法重建出样品内部的折射率分布信息，成功测量了花粉粒细胞的内部折射三维分布。2007年，W.Choi等人就利用这一技术实现了活体hella细胞的内部折射率三维重建。但是这两个小组都是基于滤波反投影重建算法，忽略了光波的衍射效应，这在一定程度上损失了重建精度。2007年，W.Gorski等人通过重建光子晶体光纤内部折射率的实验证明，在数字全息显微层析成像技术中，利用衍射层析成像算法重建的图像精度高于滤波反投影算法。近几年关于数字全息显微层析成像技术的文献不断涌现，已经有越来越多的人参与到这一技术的研究中。

全息显微术有两种。一种是改变再现光的波长和波前曲率能使全息照片所成的像比原物大，得到放大率高达100倍左右的像。另一种是用普通显微镜来观察再现像。如要测量样品中浮动粒子的大小、分布时因为这些粒子在不断运动，所以不易将显微镜调焦到这些粒子上，更谈不上把这体积中的粒子全部拍摄下来。但全息照相能很方便地解决这些问题。

全息显微术是全息与显微相结合的技术。与一般显微术相比，其优点是能存储标本物整体，无须制备标本物的切片。尤其是对一些活的标本物，它可以用高功率的连续光或脉冲激光拍照全息图，长期保存，再现像具有立体性，能显示样品的细节。全息显微术主要有两种形式：一种是将全息技术和显微镜结合，称为“全息显微镜”，解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾，避免了像差影响而达到很小衍射极限，可以获得更大的视野；一种是利用全息图本身的特性来进行放大，称为“全息放大”。如果在拍摄和显示时，采用不同波长，衍射角不同，这等于将全息图做了相应的调整，可以实现图像放大。全息显微术广泛应用于医学、生物学、科研等方面。

（1）全息显微术

全息照相最初是为了改善电子显微术而提出来的。全息照相的特点中指出其放大率，若用电子束来拍摄，用可见光来再现，则放大倍数M可达十万倍。同时，电子显微镜的分辨本领受到电磁透镜的像差（球差）所限制，而在光学领域中，这种像差是能很好修正的。一般显微镜具有景深小的缺点，因为其相对孔径越大，景深就越小，结果高分辨率的显微镜的景深必然很小，所以只能看到几乎是一个平面上的物体。想看一个三维的物体就要多次调焦。如果物体是不断运动的动态物体，这种方法就很难看到满意的结果。如果采用全息显微镜先对立体的物体做出全息图，然后通过全息图显出物体的三维像，这样就解决了一般显微镜中分辨率与景深的矛盾。若用脉冲激光束来拍摄动态标本的全息照片，就可“冻结”任一运动，而保存其原有信息。由于再现像具有立体特性，因此在再现时可将显微镜对再现像的不同深度调焦，从而研究整个标本。

显微全息可以用来观察物理现象及观察某些微观痕迹。如测量样品中浮动粒子的大小、分布及其他性质等。

（2）全息微缩存贮

全息照相具有信息存贮量大、信息完整、易于保存、保密好等特性。

所谓全息微缩存贮，就是把文学、地图、档案、文物等用全息照相方法记录下来。尤其对档案资料、指纹、各种鞋印、枪弹等的微缩存贮有其独特的意义。它不但大大缩减了档案资料所占的空间，而且便于存贮和保密。

全息微缩存贮有许多特殊的性质：

①在没有高分辨率透镜的情况下能获得很高的存贮密度，而磁带所存贮的信息量已接近其本身的限度。(www.xing528.com)

②全息照相可以实现立体存贮。普通照相在一张底片上只能记录一幅画面，如果在同一张底片上重复记录2幅画面，就会得到一张模糊不清的图像。但是全息照相可在一张底片上重复记录100～300幅画面。如果用铌酸锂单晶做记录介质，在1 cm3的体积内可存贮1000幅全息图。这是因为全息照相可以充分利用胶片乳胶的厚度。当乳胶的厚度比全息图上所记录的干涉条纹间距大时，乳胶层所记录的就不再是一个平面干涉图，而是一个立体图了。所以可以做空间上的三维信息存储。

③全息存贮不易丢失。全息图记录是波的干涉条纹，如果把一张全息图分成许多小碎块，则任一小块中仍包含了整个物体的全部信息，用这个小块仍能再现出物体的完整图像，只是噪声大了些。而普通微型照相胶片，则可能因一小点尘埃、一根头发或一小点损坏而陷入毁坏。

④读出装置简单，存贮信息可以高速索取；

⑤可以快速复制；

⑥汉字的光存贮比计算机存贮容易。

将激光器发出的光分成两束，其中一束光透过要存贮的资料照相底片。光被照相底片信息调制后与另一束参考光在记录板上相遇，产生干涉图案。逐页记录后，经过彰显、定影就形成一片全息微缩资料存贮图片。输入资料的更换、记录和显示都是由控制器自动控制的。记录的全息图片可以很方便地进行拷贝（复制）。这对资料的交流和发送很方便。同时，由于全息照相具有高倍放大影像数据的能力，因此当全息图片在阅读光束中移动时，所得到的图像能够由1 mm直径的像放大到几万倍而不产生图像误差。可以用毛玻璃透视显示，也可以用白色屏幕反射显示，也可以用电视显示或者在显示屏的位置放一个静电复印装置获取复印件，效果都非常好。

全息微缩的基本原理如下：

一般漫射光照射物体制作的全息图，任取一小块，都能再现原物的整个图像。因为全息图上任一点都受到物上各点发来光束的作用，以编码的形式存贮了物上各点的信息。但全息图上取的小块越小，再现像的分辨率也就越差，因为分辨率是系统孔径的函数。

采用傅立叶变换全息图的形式，能够在小的全息图上得到高分辨率的再现像，而所用的镜头并不需要分辨本领特别高的镜头。

目前全息微缩存贮还不能做到实时记录，也就是说，在存贮前还必须把存贮的资料先拍成透明底片，作为输入件，结果大大降低存贮速度。实现输入实时化，是目前国内外正在研究的重要课题，已取得一定进展。