数字全息显微镜：技术优化与发展趋势

数字全息显微镜（Digital holographic microscopy，简称DHM）是数字全息技术在显微领域的应用，也被称为全息显微术。与其他显微技术相比，数字全息显微镜并不直接记录被观测物体的图像，而是记录含有被观测物体波前信息的全息图，再通过计算机对所记录的全息图进行数值重建来得到被测物体的相位和振幅（光强）信息，进而完成数字三维重构。打个形象的比方来理解数值重建这个过程，就是利用计算机算法代替传统光学显微镜中的成像透镜。

其他一些同数字全息显微技术相关的显微术包括干涉显微镜（Interferometric microscopy）、光学相干断层扫描技术（Optical coherence tomography，简称OCT）以及衍射相差显微镜（diffraction phasemicroscopy）。这些显微技术的共同点是都有一束参考波前，用来同时获得振幅和相位信息，信息被数字图像传感器采集，再通过计算机重建形成被测物体的图像。与之相比，传统的光学显微镜由于没有参考波束，只能记录振幅（光强）而没有相位，因此并不能读取物体的三维信息。

数字全息显微镜DHM的工作原理是通过干涉产生的全息图被CCD传感器采集，经过电脑特定算法计算，重建微观物体的三维图像。全息图（Hologram）是由若干干涉条纹构成的，而要产生干涉条纹需要使用单色相干光源，比如说激光。

数字全息显微镜相比其他显微术，比如激光共聚焦显微镜（Laser confocalmi⁃croscopy）、白光干涉仪（White light interferometry，WLI）和激光多普勒测振仪（Laser doppler vibrometer，LDV），有以下一些独特的优势：

（1）数字自动聚焦

传统的自动聚焦都是通过机械方式调节焦距来寻找希望聚焦的像面。不同的是，在全息成像中，单张全息图即包含了全部像面的信息，可以理解为是多层像面的叠加，这样就允许通过数值算法在计算机上自动选取需要聚焦的像面，因此称之为数字自动聚焦。这项功能使得数字全息显微镜抓取图像速度极快，因为省去了机械扫描寻找聚焦像面的过程。记录下来的全息图也允许用户在后期处理时重新寻找聚焦像面，有报道称这种方法能提高分辨率和图像质量。

（2）激光度量衡

光的波长是一种极其精确稳定的参照长度，早在1960年，国际单位制就已经使用氪86（氪的一种放射性同位素）的放射线波长作为长度度量衡的标准。数字全息显微镜利用干涉滤波产生的极其稳定的单色激光，以此波长作为度量衡测量微观结构，测量精度可以达到皮米级。(www.xing528.com)

（3）非扫描式显微

数字全息显微镜能够实现三维形貌的实时呈现，得益于它非扫描机制。抓取单张全息图的时间是由相机的快门速度决定的，因此数字全息显微镜能够轻松实现普通视频速率，比如30帧／s。而利用超高速相机，甚至能达到1000帧／s的抓取速率。

（4）相移显微

有别于相差显微镜，数字全息显微镜是基于独特的相移显微原理。光波在经过物体表面反射或者透过物体之后，受物体表面形貌或者是物体内部不同物质折射率的影响而产生相移，这样就携带上了物体的三维特征。

（5）独特光路设计

和其他干涉技术一样，数字全息显微镜产生干涉的前提是两束光的光程差要小于相干长度。由于观测不同大小物体需要使用不同放大倍数的物镜，因此物光O的光程会因此改变。数字全息显微镜能根据不同物镜自动调节参考光R的光程，使得两束光的光程差总是符合产生干涉的条件，这种设计也使得各物镜下达到共焦的效果。