紧凑型双波长共路数字全息显微镜：动态形貌重建的高精度解决方案

针对传统双波长数字全息显微镜(DW-DHM)光路复杂、实时性差的问题，研究人员开发了一种紧凑型共路双波长数字全息显微镜系统。该系统通过简化光路布局和偏振调制技术，实现了单次曝光双波长全息图采集，标准台阶样本测量显示表面高度标准差低至47.83 nm，显著优于传统系统。该研究为生物动态成像和材料科学提供了高稳定性、高精度的实时监测工具。

　　

在微观世界的探索中，科学家们一直渴望获得高精度的三维形貌信息。数字全息显微镜(Digital Holographic Microscopy, DHM)作为一种非侵入式成像技术，能够同时记录光波的振幅和相位信息，在生物细胞观测和材料表面分析中展现出独特优势。然而，传统单波长DHM(SW-DHM)面临相位包裹问题的困扰——当样品光学路径长度(OPL)超过光源波长时，相位信息会被"包裹"在-π到π范围内，需要通过复杂的相位解包裹算法重建真实形貌。更棘手的是，相邻像素间的最大可测OPL被限制在单个波长范围内，这使得SW-DHM难以应对高深宽比结构的精确测量。

为突破这一限制，科学家们开发了双波长DHM(DW-DHM)技术，通过两个波长的干涉产生等效的合成波长，大幅扩展纵向测量范围。但传统DW-DHM需要分别记录两个波长的全息图，耗时且丧失实时性。虽然近年出现了多种单次曝光技术，如双相机同步采集、彩色相机分光、角度复用等方法，但这些方案或增加系统复杂度，或限制波长选择，或降低时间稳定性，难以满足微纳结构高精度表征的需求。

针对这些技术瓶颈，来自浙江大学等机构的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表了一项创新研究。他们设计了一种紧凑型双波长共路数字全息显微镜系统，通过巧妙的光学设计实现了单次曝光双波长全息采集，同时保证了系统的稳定性和测量精度。该系统采用偏振调制技术分离双波长光束，利用普通分光棱镜替代复杂的多光束反射镜组，大幅简化了光路结构。研究人员首先评估了系统的时间稳定性，随后用4 μm标准台阶样本验证了形貌测量精度，最后通过实时追踪藻类运动展示了动态成像能力。

关键技术方法包括：1)双波长激光共路干涉光路设计，采用空间滤波(SF1, SF2)和偏振调制实现光束分离；2)基于合成波长原理的双波长相位解包裹算法；3)50 fps高速全息图采集系统；4)标准台阶样本和活体藻类(platymonas)作为验证模型。

【系统时间稳定性】
通过连续10秒、50 fps的全息图采集，对比传统分路DW-DHM系统，新系统的相位噪声标准差从1.21 rad降至0.42 rad，时间稳定性提升65%。这得益于共路设计有效抑制了环境振动和温度波动对光程差的影响。

【标准台阶测量】
对4 μm高度标准台阶的测量显示，系统整体高度标准差仅为47.83 nm，较传统系统降低约40%。这验证了系统在高深宽比结构测量中的优势，归因于优化的双波长相位恢复算法和稳定的干涉信号。

【动态成像能力】
通过实时追踪藻类运动，系统成功记录了微生物的三维运动轨迹，单帧处理时间小于20 ms。这一性能使其适用于细胞迁移、膜动力学等快速生物学过程研究。

研究结论指出，这种紧凑型共路DW-DHM系统通过简化光学元件和优化校准模式，在保持系统稳定性的同时实现了单次曝光双波长测量。相比现有技术，其创新性体现在三方面：1)采用普通分光棱镜替代复杂的多光束反射镜组；2)充分利用相机视场实现高效光束分离；3)无需精密针孔对准的空间滤波过程。这些改进使系统在噪声抑制(相位波动<0.5 rad)、测量精度(亚50 nm级)和实时性(50 fps)方面均显著优于传统DW-DHM。

该研究的科学价值在于为微纳尺度动态过程观测提供了新工具。在生物医学领域，系统可用于细胞力学、药物递送等过程的实时三维追踪；在材料科学中，则适用于半导体表面缺陷、微机电系统动态形变等精密检测。研究团队Yuxuan Zhao、Zhiming Lin等特别强调，系统的紧凑设计和易操作性使其有望成为常规实验室的标配仪器，推动DHM技术从专业光学实验室走向更广泛的应用场景。未来工作将聚焦于进一步简化光学配置，并开发自适应算法以处理更复杂的生物样本散射问题。