傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡雖廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究中,但其分辨率受到光波長(zhǎng)的限制,無(wú)法滿足更高分辨率的需求。近年來(lái),一種新興的技術(shù)——無(wú)透鏡全息顯微鏡,利用計(jì)算成像技術(shù),通過(guò)記錄樣品發(fā)出的散射光波前信息,再借助計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行圖像重建,從而實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。該技術(shù)不僅突破了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率極限,還具有體積小、成本低、易于集成等優(yōu)勢(shì),為微觀世界的探索提供了新的工具。
1.原理與技術(shù)
1.1全息術(shù)基本原理
全息術(shù)是一種利用光的干涉記錄物體三維信息的成像技術(shù)。它通過(guò)記錄物體散射的光波與參考光波的干涉圖樣(全息圖),然后利用參考光波照射全息圖,重現(xiàn)物體的光波前,從而得到物體的三維像。
1.2.無(wú)透鏡全息顯微技術(shù)
采用微結(jié)構(gòu)陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)透鏡,直接記錄樣本發(fā)出的散射光場(chǎng)。這些微結(jié)構(gòu)能夠調(diào)制光波前的相位,實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的編碼。隨后,通過(guò)計(jì)算機(jī)算法對(duì)采集到的光場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,重建出高分辨率的二維或三維圖像。
1.3關(guān)鍵技術(shù)
1.3.1微結(jié)構(gòu)陣列設(shè)計(jì)
微結(jié)構(gòu)陣列是核心部件,其設(shè)計(jì)直接影響到成像質(zhì)量和分辨率。目前,常用的微結(jié)構(gòu)包括微透鏡陣列、光柵、相位板等。
1.3.2數(shù)據(jù)采集與處理
數(shù)據(jù)采集需要高精度的光探測(cè)器件,如CMOS或CCD傳感器。數(shù)據(jù)處理則依賴于強(qiáng)大的計(jì)算能力和先進(jìn)的算法,如迭代算法、深度學(xué)習(xí)等。
1.3.3數(shù)字重建算法
數(shù)字重建算法是實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的關(guān)鍵。常見(jiàn)的算法包括角譜法、菲涅爾變換法、迭代相位恢復(fù)法等。這些算法能夠從散射光場(chǎng)中提取出物體的細(xì)節(jié)信息,實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。
2.應(yīng)用領(lǐng)域
2.1生物醫(yī)學(xué)
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)細(xì)胞、細(xì)菌等微生物的高分辨率觀察,為疾病診斷和治療提供有力支持。此外,該技術(shù)還可用于組織工程、藥物篩選等領(lǐng)域。
2.2材料科學(xué)
在材料科學(xué)領(lǐng)域,能夠觀察到納米尺度的材料結(jié)構(gòu),為材料性能研究提供重要信息。例如,它可以用于觀察納米顆粒的分布、納米線的排列等。
2.3環(huán)境監(jiān)測(cè)
可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。例如,通過(guò)觀察水中的微生物群落,可以評(píng)估水質(zhì)狀況;通過(guò)觀察空氣中的顆粒物分布,可以評(píng)估空氣質(zhì)量。
3.結(jié)論與展望
無(wú)透鏡全息顯微鏡作為一種新型的成像技術(shù),具有許多傳統(tǒng)顯微鏡沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。它在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而,目前該技術(shù)仍處于發(fā)展階段,仍有許多挑戰(zhàn)需要克服,如提高成像速度、降低系統(tǒng)成本等。