【摘要】：光學(xué)顯微技術(shù)由于具有非接觸、無輻射、可實(shí)時(shí)觀測等特點(diǎn),已經(jīng)成為了生物醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最常見和最重要的分析方法與測試工具。在對透明的生物細(xì)胞進(jìn)行顯微成像時(shí),相位顯微成像技術(shù),特別是定量相位顯微成像技術(shù),表現(xiàn)出了十分巨大的優(yōu)勢,已成為了當(dāng)前生物細(xì)胞成像研究的熱點(diǎn)與發(fā)展方向之一。該技術(shù)克服了在熒光顯微鏡中需要使用標(biāo)記染料而可能對細(xì)胞造成傷害的問題,更進(jìn)一步的,它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對透明生物細(xì)胞或組織的折射率、厚度等信息的定量化測量,而且可以為我們提供生物細(xì)胞的形態(tài)、結(jié)構(gòu)或動力學(xué)行為等信息。這項(xiàng)技術(shù)為我們在微觀領(lǐng)域的研究提供了一種十分有效的手段,具有十分重要的意義。大多數(shù)的定量相位顯微成像技術(shù)基于光的干涉現(xiàn)象。這種技術(shù)主要包括了干涉圖樣的采集、相位信息的重建以及后續(xù)的相位解包裹等幾個(gè)過程,其中干涉圖樣的采集是定量相位成像技術(shù)的基礎(chǔ),獲得高質(zhì)量的干涉圖樣是后續(xù)的相位重建成功的關(guān)鍵。據(jù)此,我們的工作主要集中在干涉相位測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面,以期獲得高質(zhì)量的干涉圖樣,從而實(shí)現(xiàn)生物細(xì)胞的定量相位顯微成像。本論文的研究工作主要有以下幾個(gè)方面:1.實(shí)現(xiàn)了基于單一光學(xué)元件的干涉相位顯微成像,獲取了生物細(xì)胞(草履蟲細(xì)胞)的相位成像。我們分別使用了單一的楔形玻璃板和單一的分光棱鏡,實(shí)現(xiàn)了兩種干涉相位顯微成像方法。對于僅僅使用單一楔形玻璃板的方法,其基本思路是調(diào)節(jié)樣品使其只接觸照明光束的一半,然后利用一塊楔形玻璃板將這一部分?jǐn)y帶了樣品信息的光束偏折向另一部分光束,使得這兩部分光束相遇疊加在一起而形成干涉。而對于僅僅使用單一分光棱鏡的方法,我們將分光棱鏡傾斜的放置,使得入射光束僅僅入射到分光棱鏡中央半反射層的一側(cè)的位置。仔細(xì)的調(diào)整控制分光棱鏡,使分光棱鏡的中央半反射層和入射光束的光軸之間形成一個(gè)合適的夾角,這樣,由分光棱鏡生成的兩束光束將相遇重疊在一起而形成干涉。由于分光棱鏡產(chǎn)生的光束的像彼此之間相反,這樣我們調(diào)節(jié)樣品到一個(gè)合適位置時(shí)產(chǎn)生了雙通道干涉�；趩我还鈱W(xué)元件的方法非常簡單易行,而且可以有效地控制成本,非常具有實(shí)用性。2.實(shí)現(xiàn)了三種具有雙干涉通道的干涉相位顯微成像方法,并且都成功的獲取了生物細(xì)胞(草履蟲細(xì)胞)的相位成像。在這類方法中,首先使用一個(gè)被傾斜放置的常規(guī)分光棱鏡來產(chǎn)生兩束彼此平行的平行平面波。以此為基礎(chǔ),然后分別使用了楔形玻璃板、菲涅耳雙棱鏡、菲涅耳雙面鏡來形成干涉。對于第一種方法,利用一塊非常普通的楔形玻璃板僅僅將其中的一束光束偏折向另一束光束使它們重疊在一起而形成干涉;對于第二種方法,使用一塊菲涅耳雙棱鏡代替楔形玻璃板,調(diào)節(jié)菲涅耳雙棱鏡的屋脊使其和分光棱鏡的中央半反射層重合,這樣分光棱鏡產(chǎn)生的兩束光束分別射入菲涅耳雙棱鏡的不同的一側(cè),這兩束光束分別被偏折朝向彼此,然后相遇疊加在一起而形成干涉;而對于第三種方法,使用一種普通的菲涅耳雙面鏡代替上面的兩種器件,將菲涅耳雙面鏡放置在傾斜的分光棱鏡的輸出端,使得分光棱鏡產(chǎn)生的兩束平行光束分別被菲涅耳雙面鏡的兩面鏡子反射,然后相遇而形成干涉。3.利用兩個(gè)直角棱鏡替換普通邁克爾遜干涉儀的兩個(gè)平面鏡,提出了一種改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀。基于這種改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀,分別通過旋轉(zhuǎn)或者平移直角棱鏡,實(shí)現(xiàn)了兩種邁克爾遜型橫向剪切干涉相位顯微成像方法,獲取了生物細(xì)胞(草履蟲細(xì)胞)的相位成像。對于旋轉(zhuǎn)直角棱鏡的方法,我們以直角棱鏡的屋脊為旋轉(zhuǎn)軸,通過在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)直角棱鏡來實(shí)現(xiàn)橫向剪切干涉;而對于平移直角棱鏡的方法,沿著垂直于入射光束的光軸的方向,我們在水平面內(nèi)平移直角棱鏡來實(shí)現(xiàn)橫向剪切干涉。4.我們的方法都是以傳統(tǒng)倒置型顯微鏡配置為基礎(chǔ)的,這使得我們的方法可以很方便的集成到現(xiàn)成的光學(xué)顯微設(shè)備上,極大地?cái)U(kuò)展了我們提出的方法的應(yīng)用范圍。此外,我們提出的干涉器件操作簡單、價(jià)格便宜、小型化、便攜式,具有非常好的實(shí)用性。
【圖文】：

不會發(fā)生明顯的改變，從而導(dǎo)致無法利用傳統(tǒng)的光學(xué)顯微成像技術(shù)對生物細(xì)胞進(jìn)逡逑行清晰成像。盡管如此，光波透過樣品時(shí)卻因?yàn)闃悠穬?nèi)部折射率的不同而使得相逡逑位信息發(fā)生了明顯的變化（相位襯度），如圖１．１所示，因此可以通過相位變化逡逑實(shí)現(xiàn)成像。然而，對于人的眼睛或者其它的光探測器來說，相位變化并不能被直逡逑接的辨別，一般需要將相位的變化轉(zhuǎn)化為可探測的光強(qiáng)度變化，因此相位成像技逡逑術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生了。逡逑＾邐Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｃｅｌｌ逡逑－Ｐｈａｓｅ邋ｓｈｉｆｔ逡逑Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ邋ｉｓ邋ｕｎｃｈａｎｇｅｄ邋Ｔｈｅ邋ｐｈａｓｅ邋ｏｔ邋ｗａｖｅ邋ｉｓ邋ｓｈｉｆｔｅｄ逡逑ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｃｅｌｌ邐ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｃｅｌｌ逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｐｈａｓｅ邋ｓｈｉｆｔ邋ｏｆｌｉｇｈｔ邋ｗａｖｅ邋ｐａｓｓｉｎｇ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ｃｅｌｌ．逡逑圖１．１光波通過細(xì)胞產(chǎn)生相位變化的示意圖。逡逑３逡逑

如果同時(shí)知道光場的相位信息和振幅信息，則成像過程就可以看作是信息逡逑的傳輸�；诠獠ㄖg干涉現(xiàn)象的定量相位顯微成像技術(shù)（ＱＰＭ，，ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ逡逑ｐｈａｓｅ邋ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）實(shí)噴上結(jié)合了阿貝、澤爾尼克和蓋伯（圖１．２）的開創(chuàng)性觀點(diǎn)，逡逑產(chǎn)生的圖像記錄了與樣品有關(guān)的光程變化，進(jìn)一步的反映了樣品的定量信息，從逡逑而揭開了生物細(xì)胞顯微成像的新篇章。逡逑■娭逡逑Ｅｒｎｓｔ邋Ａｂｂｅ邐Ｆｒｉｔｓ邋Ｚｅｒｎｉｋｅ邐Ｄｅｎｎｉｓ邋Ｇａｂｏｒ逡逑（１８４０－１９０５）邐（１８８８－１９６６）邐（１９００－１９７９）逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｉｏｎｅｅｒｓ邋ｏｆ邋ｃｏｈｅｒｅｎｔ邋ｌｉｇｈｔ邋ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．逡逑圖１．２相干光顯微成像技術(shù)的先驅(qū)者。逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O436.1;R318

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本文編號：2688613