洋葱细胞数字全息显微实验演示

一、相移法重建全息记录面上物光场相位原理

1.1 光场相位的记录

全息照相过程中，设某点(x,y)处物光场和参考光场分别为 $\tilde{O}(x,y)=o(x,y){{e}^{j\varphi (x,y)}}$ 和 $\tilde{R}(x,y)=r(x,y){{e}^{j\phi (x,y)}}$ ，参考光与物光相互干涉从而记录物光的相位。

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显然，若 $\varphi \left( x,y \right)-\phi \left( x,y \right)=2k\pi$ ，其中 $k=0,\pm 1,\pm 2\cdots$ ，则(x,y)处将出现明纹；若 $\varphi \left( x,y \right)-\phi \left( x,y \right)=\left( 2k+1 \right)\pi$ ， $k=0,\pm 1,\pm 2\cdots$ ，则(x,y)处将出现暗纹，所以，全息图实际上就是一幅干涉图，用干涉条纹的明、暗记录相位(即物光与参考光的相位差)。

1.2 相位重建基本原理

通过干涉图重建光场相位常用的方法有三种：用相移法重建全息记录面上物光场相位、用衍射计算重构物光场并重建光场相位，以及用傅里叶变换重构物光场并重建光场相位。

用相移法重建全息记录面上物光场相位通常用在像面全息(image plane hologram)中，即需要将全息记录面置于系统清晰成像的像面上。相移法重建物光场相位需要通过精确改变参考光的相位，拍摄至少两幅数字全息图。以典型的四步相移法为例，令参考光相位每次改变π/2，四个参考光场分别为

${{\tilde{R}}_{i}}\left( x,y \right)=\tilde{R}\left( x,y \right)\exp \left[ j(i-1)\pi /2 \right],i=1,2,3,4$

相应依次记录下四幅不同的全息图

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容易推导出，在(x,y)处物光场和参考光场相位之差可以由下式求出：

二、数字全息显微实验

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图1 观测洋葱细胞四步相移显微数字全息光路示意图

为演示上述相位重构原理，以一个观测洋葱细胞的数字全息显微为例，光路如图1所示。其中，HeNe激光束(波长λ=632.8mm)经分束镜后分成两束，其中一束经反射镜照射到样品上，显微物镜将透射光投射到光电耦合器件CCD上。另一束通过扩束透镜和针孔滤波器后，经准直透镜变为平面光束，由压电陶瓷管驱动的反射镜和分束镜反射到CCD上，作为记录参考光。实验中通过计算机控制压电陶瓷作精确相位，记录得到四幅全息图，以便用上式计算重建相位。