数字全息显微镜的光学系统设计摘要数字全息显微术是把数字全息和全息显微相结合，用CCD代替传统的全息干板来实现全息显微的过程。
本文通过理论的分析和计算，完成了以下工作：1）在数字全息的方法上，介绍和比较了几种记录和再现的方法;并选择了无透镜傅里叶变换与同轴全息相结合的光路，可以最大利用CCD分辨率和简化光路。
在系统光路中加入相移技术，消除零级和共轭像。
2）在1/2英寸CCD情况下，利用干涉仪原理设计出了基本光路;分析并选择了各个部件的具体参数;分析计算了系统中需要满足的条件。
计算出在几种物镜预放大情况下，系统的分辨率和放大率。
在对微小物体做近距离显微时，本文的显微系统极限分辨率理论长度可以达到0.8μm左右。
关键词：全息术；数字全息显微；预放大技术。
Optical system design of digital holographic microscopyAbstractDigital holographic microscopy digital holography and holographic microscopy combined with CCD, instead of the traditional holographic plate to realize the process of holographic microscopy.In this paper, through the theoretical analysis and calculation, completed the following works:1）Introduced and compared several recording and reproducing methods in the selection of digital holographic method，and chooses the lens-less Fourier transform and coaxial holographic to be the light path which can use CCD resolution and simplified the optical path. In the optical system with phase shifting technique to eliminate the effect of zero order and conjugate image.2)In 1/2 inch CCD cases, using an interferometer principle to design the basic light path; Analysis and select the specific parameters of components；Calculate the conditions to meet the system. Calculate the system resolution and magnification in several objectives.In the short distance microscopic, the microscopic system can reach 1μm resolution lenth,Key Words: Holography;Digital holography microscopy;Preamplification-technology；目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1显微技术的发展史 (1)1.2数字全息技术发展及研究现状 (1)1.3数学全息显微术研究现状和发展 (2)1.4研究意义 (3)1.5本文主要研究内容 (3)2 全息的基本理论 (5)2.1全息术的基本原理 (5)2.2光学全息的记录与再现 (5)2.3数字全息的基本理论 (7)2.3.1数字全息的数学模型 (7)2.3.2数字全息的再现 (8)2.4数字全息图的记录条件 (9)2.4.1菲涅耳数字全息图的记录条件 (9)2.4.2 球面参考光数字全息图的记录条件 (11)3 数字全息图的分辨率和再现像质量的提高 (13)3.1分辨率的提高方法 (13)3.2 再现像质量的提高 (13)3.3 相移法 (14)4 预放大数字全息术 (16)4.1预防大数字全息术分辨率的提高 (16)4.2几种物镜下的距离计算 (17)5 反射式数字全息显微镜的光学系统设计 (19)5.1反射式数字全息显微光路的设计 (19)5.1.1实现数字全息显微方法的选择 (19)5.1.2 实现数字全息条件的分析 (20)5.1.3 设计思路与基本光路 (20)5.2反射式数字全息显微系统的参数 (23)5.2.1关键参数的计算 (23)5.2.2各个零件参数的选择 (24)5.3数字全息系统的分辨率与放大率计算 (26)5.3.1系统的最大分辨率计算 (26)5.3.2 数字全息系统的放大率 (26)5.4 影响显微的因素分析和校正 (26)6 结论和总结 (28)6.1结论 (28)6.2总结 (28)致谢 (29)参考文献 (30)学位论文知识产权声明 (32)学位论文独创性声明 (33)附录 (35)外文文献及翻译 (35)1 绪论1.1显微技术的发展史原始的光学显微镜是一个高倍率的放大镜。
据记载，在1610年前意大利物理学家伽利略已制作过复式显微镜观察昆虫的复眼(1)。
这是一种已具目镜、物镜和镜筒等装置，并固定在支架上的显微镜。
1934年由M·诺尔和E·鲁斯卡(2)在柏林制造成功第一台实用的透射电子显微镜。
其成象原理和光学显微镜相似，不同的是它用电子束作为照射源，用电子透镜代替玻璃透镜，整个系统在高真空中工作。
由于电子波长很短，所以分辨率大大提高。
20世纪50年代扫描电子显微镜在英国首先制造成功(3)。
它是利用物体反射的电子束成像的，相当于光学显微镜的反射像。
扫描电子显微镜景深大，放大倍率连续可变，特别适用于研究微小物体的立体形态和表面的微观结构。
1.2数字全息技术发展及研究现状1971 年，T. Huang 在一篇介绍二十世纪60 年代到70 年代早期数字计算机用于波场合成分析所取得的进展时，首次提出了“数字全息术”一词4。
这之后的相当一段时间内，数值再现全息图的良好构想却一直受到计算机技术和电子技术相对落后的制约。
近年来，计算机和电子图像传感器件的性能有了很大提高，数字全息术也因此得到了快速的发展。
其中一个标志性的事件是，德国人U.Schnars和W.Jiiptner于1994年首次通过CCD摄像机成功获取全息5。
从现有的文献来看，目前欧、美、日和新加坡等国家的研究非常活跃，研究工作不仅包括提高数字全息分辨率的记录和再现方法，而且对数字全息的应涉及的领域也非常广泛，涵盖了形貌测量、微电路检测、粒度分析、生物细胞观测、变形和振动测量，以及构件缺陷检测等领域，并取得了一些进展。
近年来，国内的上海光学精密机械研究所、天津大学、山东师范大学、西安光学精密机械研究所和西北工业大学等一些单位都在这一领域积极开始研究工作，并取得一初步成果(6-10)。
1.3数学全息显微术研究现状和发展数字全息显微术是根据数字全息成像原理发展出的一种新的显微技术。
按放大原理的不同，全息显微术分为全息放大和全息显微镜两种。
其中全息镜又可细分为预放大全息显微镜与后放大全息显微镜。
全息放大是根据衍射理论，通过全息图自身特性实现再现像的放大。
全息放大主要有三个途经:缩放全息图;短波长记录，长波长再现;适当选择参考光和照明光波面的曲率半径。
预放大全息显微镜是由显微物镜预先放大样本，放大后的实像(或虚像)作为全息图记录的物体，以此得到放大的全息像。
后放大全息显微术则是在普通全息一记录的基础上，然后通过显微物镜来观察再现像。
这种技术通常只适合于传统全息术，用普通显微物镜观察全息干板再现出的微观物体像。
在以数字全息为基础的数字全息显微术中，一般只用前两种放大方法。
从现有的文献来看，目前欧、美、日和新加坡等国家的研究非常活跃，研究工作不仅包括提高数字全息分辨率的记录和再现方法，而且对数字全息的应用研究涉及的领域也非常广泛，涵盖了形貌测量、微电路检测、粒度分析、生物细胞观测、变形和振动测量，以及构件缺陷检测等领域，并取得了一些进展。
Jorge等人利用同轴数字全息显微得到了亚微米级别的横向分辨率，对横向、轴向分辨率进行了理论分析和数字模拟，并对藻类在不同温度在液体中的运动情况做了观测，设计了一种可以在水下进行显微观测的同轴全息装置。
Christian D.depeuring等人拍摄了在培养液中的活体细胞，纵向分辨率达到30nm，横向分辨率到达0.5 um。
瑞士Lausanne大学的研究组研制出了数字全息显微镜，其轴向分辨率达到0.2nm，横向分辨率最高达到30nm，最大视场4.4mm。
并且Lausanne大学已经和Lyumcee tec公司合作生产出了产品，产品分为透射式和反射式两种，分别适用于透明和不透明的样品，可以用于动态物体的实时观测。
瑞士Lausanne大学的研究组利用他们研制的数字全息显微镜完成了对微透镜的面型的检测，其最大优势就是能够方便的检测非球面透镜。
他们还利用该显微镜对高数值孔径物镜的点扩散函数进行了研究和测量还利用数字全息显微镜绘制了老鼠的活体神经细胞的三维图像。
国内对数字全息显微术的研究还处于起步阶段，相关可查文献较少，但是仍有一些单位在从事相应的工作。
华东师范大学的黄燕萍、吴振德等人把光纤引入全息显微技术中，不仅简化了光学结构，而且还减小了噪声。
华中科技大学的王章金等人介绍了激光全息显微摄影术。
天津大学的吕且妮提出了成像于CCD面上的数字显微像面全息技术，同校的葛宝臻提出基于4f系统消除全息显微中附加透镜相位的方法。
昆明理工大学的袁操今等人提出了利用无透镜傅里叶变化成像的预放大全息显微术，并记录研究了洋葱等生物细胞。
山东大学的苏静利用全息相衬干涉显微术研究了一水甲酸铿单晶生长和(110)面边界层的特性。
另外西北工业大学的范琦等分析了改善数字全息显微术分辨率的几种方法。
目前，国际上数字全息显微成像的分辨率已经达到横向亚微米量级、轴向纳米量级，这对于大多数工业检测和生物医学检测与监测来说，已经达到了足够的要求。
1.4研究意义1.数字全息显微技术能够记录和再现物体的三维信息，且具有较高的分辨率。
与传统光学显微镜相比，数字全息显微术的最大优点就是可以记录下微观物体的三维信息。
这种显微技术的分辨率可以达到微米级，尤其适合于对细胞及亚细胞大小物体的观察测量。