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。     

快速数字全息显微畸变补偿

在数字全息显微定量相位成像的过程中,实验装置中使用显微镜放大物光信息和参考光的光束,这种全息图的三维相位会引入显微镜的曲率造成物体相位的严重失真。此外,离轴的倾角会引入倾斜畸变。本文提出了用双波长相位相减的方法来消除数字全息显微中的畸变,具体的操作是用对671 nm波段高透而对532 nm波段高反的滤波片来分别记录不同波长下的相位图,然后将含有物体信息和畸变的相位图与只含有畸变的相位图直接相减就可以得到畸变补偿后的相位图。通过理论分析和实验验证证实了所提出的方法对补偿数字全息显微中的畸变有较大的应用价值。     

数字全息显微测量中相位畸变的矫正方法

针对微尺寸(1 mm)透射型物体的数字全息显微测量中存在的相位畸变问题,提出一种相位矫正方法,通过改进预放大离轴菲涅耳数字全息记录光路以及全息图的卷积再现算法,消除了相位分布的一次畸变和二次畸变.使用该方法测量USAF1951分辨率板,成功矫正了其再现像的相位畸变,并得到了横向尺寸0.25 mm区域的清晰相位分布三维重建图.该方法的优点在于通过对记录光路和再现算法的改进,矫正相位畸变,直接得到正确的再现像相位,简化了相位补偿计算的步骤,很大程度地降低了相位重建过程的复杂程度,有利于对物体进行实时探测和快速重建.     

基于数字全息扫描成像的划痕缺陷全场三维测试

为实现光学元件表面疵病的三维全场测量,提出了一种数字全息显微扫描成像的检测方法。该方法基于数字全息角谱数值重建算法,获得光学元件表面划痕的相位分布,通过扫描拼接实现划痕的全场测量;然后,在数字全息显微实验装置的基础上增加二维精密扫描部件,对于宽50μm、深50 nm标准划痕,测得其宽度为49.2μm、深度为48.9 nm,同时拼接获得该划痕的全场三维形貌。实验表明:该检测方法可实现大视场划痕缺陷的全场三维测试,其宽度和深度测量的相对误差分别为1.6%和2.2%。     

数字全息显微术应用于生物样品相衬成像的实验研究

构建了无透镜傅里叶变换数字全息实验系统,实现了对一组生物样品特别是活体细胞的高保真度定量相衬成像。系统的简单性在于其数值再现过程只需直接对全息图进行一次快速傅里叶变换,而对由此引入到相位像中的畸变,则采用两步相减法予以校正。成像物体首先选用家蚊口器和洋葱表皮细胞的生物教学样片,进而使用无标记的活体宫颈癌细胞。实验中,不仅观察到了静态生物样品清晰的形态,而且观察到活体细胞形态的动态变化,充分表明了数字全息显微术应用于生物样品相衬成像的有效性。     

指纹采集的数字全息成像方法研究

提出了一种非接触无损测量的指纹采集数字全息方法。构建了一套反射式离轴菲涅耳数字全息系统,研究了重构指纹振幅和相位图像的方法,并对引入的相位畸变用最小二乘曲面拟合法予以校正。实验中,对刑侦现场容易遗留犯罪嫌疑人潜在无色指纹的多种样品进行了指纹采集,同时得到了清晰的振幅像和相位图像。相位图像的获取增强了指纹信息量,充分表明了数字全息指纹采集方法运用于警用领域指纹采集的可行性,特别是对于无色指纹及其他弱强度信息的指纹更有实用意义。     

用于智能显示的相位型计算全息图的设计

介绍了一种基于相息图原理的用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法,并在此基础上,以雪花图形和分划板图形为例,完成了全息元件实验样件的制作及全息再现实验,这种实时再现的图像可以用于智能显示。在已知记录介质折射率的情况下,通过控制纯相位型计算全息图记录介质表面微结构的宽度和高度来调制光波,得到所需图像。采用逐步迭代的傅里叶变换算法来获取纯相位型计算全息图的相位结构,为了降低相位型计算全息图的制作难度,提出量化数学模型,并对所设计的相位结构进行量化处理,给出了纯相位型计算全息图的4台阶浮雕型相位结构。全息元件的尺寸设定为6mm×6mm,工作波长为650nm,衍射结构的最小特征尺寸为8μm。理论计算和模拟再现像的结果表明,在未考虑加工误差的条件下,所提供的这种用于智能显示的纯相位型计算全息图的设计方法是可行的。此方法可推广用于其它任意特定图案的纯相位型计算全息图的设计,也可用于设计具有光束整形功能的衍射光学元件,如离轴照明的光束的整形匀光器件等。用于智能显示时,用平行光照射制作的实验样件,只得到的单一的衍射图像,不存在其他衍射级次的图像,在考虑采用台阶量化结构和存在加工误差的情况下,衍射效率仍然很高。若改变设计的全息图相位的正负,并用平行光以特定的角度照射制作此相位型计算全息图,可用于全息瞄准。     

无透镜傅里叶变换数字全息中的相位补偿

数值再现像相位的准确性直接影响到数字全息检测的结果。为了找出再现过程中存在的相位畸变并采取相应的方法达到自动补偿,对无透镜傅里叶变换数字全息中的相位补偿问题进行了研究。因为经过单次傅里叶变换法进行数字波面重构时,存在一个附加的二次相位因子,该附加因子造成了再现像的相位畸变。采用最小二乘曲线拟合方法,通过多剖面计算得出数字相位掩膜进而对相位分布进行校正,并进行了理论分析和对比实验验证。结果表明,与常用的二剖面方法相比,能够对相位畸变进行更好的校正。这一结果对相位补偿问题的研究是有帮助的。     

准分子激光微加工技术结合模塑技术加工微流控芯片

利用准分子激光微加工技术与模塑技术相结合的方法制造微流控芯片。用准分子激光在玻璃基胶层上刻蚀出加工质量较高的微流控生物芯片形貌,通过电铸技术对微流控芯片进行复制,得到反向金属模具。用金属模具通过注塑成型技术用聚碳酸酯注塑出微流控芯片。系统研究了准分子激光的能量密度和工作台移动速度对胶层微通道加工质量的影响;测量并分析了激光刻蚀加工出的微流控芯片原型、电铸的反向金属模板和注塑成型后的微流控芯片的轮廓精度和表面粗糙度,上表面尺度偏差不大于2μm,底面粗糙度小于20 nm。对注塑出的微流控芯片和激光直写刻蚀的几何结构相同的微流控芯片的流动性能进行比较测试。在流速较小时,用激光微加工技术与模塑技术相结合的方法加工的微通道比准分子激光直写法所加工的微通道流动性能更好。     

基于显微数字全息的生物薄膜折射率的测量

提出了一种基于显微数字全息相位重构图像的生物薄膜折射率的简便测量方法。利用角谱法对生物薄膜的显微数字全息图像进行重构,得到其复振幅分布,从中获得激光通过生物薄膜后的相位变化与薄膜厚度、薄膜中液体的折射率及薄膜折射率间的定量关系。通过等厚干涉和阿贝折射仪测得膜的厚度与液体的折射率,再从定量的相位变化中获得生物薄膜的折射率。以洋葱内表皮细胞层折射率的测量为例,进行了相应的实验验证,得到了波长为632.8nm下的折射率。理论与实验均表明,该方法是有效和切实可行的。     

数字像面全息显微技术的降噪方法

数字像面全息显微技术中,记录过程引入的噪声限制了轴向测量的精度和可靠性。目前对于抑噪方法的研究,主要针对高频噪声。因此提出了一种针对数字像面全息显微技术的降噪方法,不仅抑制高频噪声,对噪声的低频部分也有抑制作用,提高重构相位的信噪比。这种降噪方法对数字像面全息显微图进行优化,实现途径为利用二维经验模态分解中,第一层本征模态函数与全息图干涉条纹灰度信息契合的特点,提取第一层本征模态函数实现优化。应用优化后的像面全息图,实现重构,求解相位,测量样本表面形貌。应用优化方法对标准纳米台阶的表面形貌进行测量,对比并分析优化前后全息图的频谱以及测量的高度图,证明优化方法在保证对微结构表面形貌实现可靠测量的基础上,降低了数字像面全息显微技术的重构相位噪声。     

Miniaturized continuous-flow polymerase chain reaction microfluidic chip system

A miniaturized continuous-flow polymerase chain reaction (PCR) microfluidic chip system was developed to perform DNA amplification. This system consists of a 20-cycle continuous-flow PCR microfluidic chip, an electrical heating system and a miniature air pressure-vacuum pump. The chip was ablated with excimer laser direct-writing micromachining technique on a polymethyl methacrylate (PMMA) sheet. The ablated microchannel was inverse trapezoidal with a depth of 70 μm, top width of 200 μm and bottom width of 120 μm. Its surface roughness Ra was 1.42 μm after being treated with excimer laser polishing. The substrate sheet ablated with the microchannel was bonded with other cover sheets using hot-press bonding method to form a closed structure. The electrical heating system consisted of three groups of heating membranes, Pt100 sensors, copper blocks and PID temperature digital controllers. It could provide three distinct maintained temperature zones and a uniform temperature distribution in each zone. PCR amplification of a 170 base pair (bp) DNA fragment was carried out to validate the system's feasibility. The PCR temperatures were set as 94℃ for denaturation, 55℃ for primer annealing and 72℃ for extension. The flow rate in the microchannel was 40 nL/s and the total time for the completion of a 20-cycle amplification of 20 μL reagent was 15 min.     

基于像面数字全息术的中药饮片细胞定量成像技术研究

细胞三维定量成像为中药饮片显微鉴别提供了新方法。为了提高数字全息显微成像质量,采用理论分析与实验验证相结合的方法,对球面参考光像面数字全息显微术的记录和再现过程进行了研究,提出了利用标准分辨率测试板对系统放大倍数、物距等参数进行标定的方法;并利用实验结果对两种常见的相位解包裹方法进行了对比。结果表明:球面参考光像面数字全息图不仅具有较高的信息容量,而且再现过程非常简单,还可以在记录过程中实时观察被记录样品的情况,并选择恰当的被记录区域。利用美国空军分辨率测试板的强度再现像就可以对全息成像系统的放大倍数等参数进行精确标定;利用基于横向剪切的最小二乘解包裹方法可以得到具有较大纵深细胞的准确相位;采取边缘识别技术,可以提高细胞再现像显示效果。     

内部微缺陷的超声与数字全息成像检测系统设计

微机电系统与微机械零件的内部微缺陷需要高精度、强穿透性的非接触检测技术。目前缺少这样内部微缺陷的检测方法。针对上述问题,设计了超声与数字全息成像的复合系统。该系统结合了超声检测的强穿透能力和数字全息成像技术的高分辨率。该系统包括近场超声子系统、数字全息子系统和同步控制子系统。在近场超声子系统中,产生的近场超声波场穿过样品的内部缺陷,在样品表面形成表面超声波场,再通过数字全息子系统测量和分析这个表面超声波场的瞬态形貌,分析声波场中包含的内部缺陷信息。实验结果表明:该系统通过对超声波场的分析,可以测量出超声波场的瞬态三维形貌,并且可以有效的检测出50 μm的内部缺陷。     

数字全息中再现照明光对重建像的影响

在数字全息三维形貌测量中,相位信息的正确重建对测量的准确性有着重要的意义。非原参考光的再现光重建数字全息将引入相位畸变问题,本文对此进行了详细的理论分析,指出此时重建像的相位分布将产生二次或线性畸变,并给出了相应的相位畸变表达式。计算机模拟证明了分析的正确。     

巨磁阻生物传感器阵列及专用锁相放大器设计

EW_GⅠ是基于GMR(巨磁阻)传感器,用于检测血样中特种病毒的正在研发的生物芯片系统。叙述了其巨磁阻传感器阵列以及后端锁相放大IC电路的设计及实现。该阵列包含32个GMR传感器单元和2个传感器参考单元,形成多路的半桥式惠斯通电桥,用于感应绑定磁球的附加磁场。每个单元(100μm×100μm)由长1mm、宽7μm的巨磁电阻蜿蜒而成,该电阻采用[Ag(2nm)/NiFe(6nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(4nm)]20结构,采用Ag作为镜面层,其饱和磁场小于等于30mT,GMR值约6%,单个传感器电阻约为780Ω。配套的锁相放大芯片包括了信号通道、参考通道、前置低噪声放大器、带通滤波器、可控增益放大器、相敏检测电路、正交移相电路、差分直流放大电路八个部分,整个设计功耗小于50mW@Vcc=3V。     

组合套镀法制备2.0～2.4 μm波段8通道微型集成滤光片

利用组合套镀法布里珀罗结构光学薄膜滤光片间隔层的方法,选取锗和一氧化硅分别作为高低折射率膜层材料,在短波红外区域2.0～2.4 μm光谱范围内,设计并制备了8通道集成窄带滤光片,单个光谱通道的有效通光区域的宽度为450 μm,其间有30 μm的挡光过渡带。各通道的峰值光谱透射率大于65%,滤光片的半峰全宽为8～13 nm,相对带宽在0.33%～0.65%之间。     

基于PDMS基片的回音壁模式光纤激光器

介绍了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片的回音壁模式(WGM)光纤激光器。激光器主要由多模石英光纤、塑料楔形光纤、激光染料溶液、玻璃基底和PDMS基片构成。将一根直径为279μm的石英裸光纤和一根直径为200μm的塑料楔形光纤耦合后固定在一块长和宽分别为2cm和1cm的玻璃基底上,在玻璃基底上浇注PDMS溶液后再经烘干形成厚度约为400μm的柔性PDMS基片。在基片上石英光纤与楔形光纤的耦合位置处刻出一个长为0.4cm,宽和高均为400μm的光纤沟道,在沟道中填入诺丹明6G的乙醇溶液并用另外一块玻璃基片封装后构成基于PDMS基片的回音壁模式光纤激光器芯片。采用沿石英光纤轴向消逝波光抽运方式,在PDMS芯片上实现了抽运能量为8.5μJ的低阈值的回音壁模式激光定向输出。