数字全息技术在卤虫形态观测方面的应用

潘若凡 钟娟 殷悦 李倩 陈嘉伟

(中国海洋大学工程学院机电工程系,山东青岛 266100)

数字全息技术在卤虫形态观测方面的应用

潘若凡 钟娟 殷悦 李倩 陈嘉伟

(中国海洋大学工程学院机电工程系,山东青岛 266100)

本文以数字全息技术为支撑,将该平台用于实现和发展浮游动物形态的测量和记录。由于对浮游动物的研究中,通常采取解剖、制成玻片的形式进行观察,并以手工绘图的方式进行生物体形态的记录,工作复杂而繁琐。考虑实验室研究对更优化观测方法的迫切需求,本研究工作以卤虫为目标生物,成功记录了其从休眠卵到成体的形态。所建立的数字全息测量系统实现了对卤虫从200μm-8mm不同体长阶段的记录和全息片清晰再现,为该尺度范围浮游动物的实时观测提供了参考方法和借鉴技术。

数字全息 卤虫 孵化 成体

1 引言

“全息”是指物体发出的光波的全部信息:既包括振幅或强度,也包括相位。而全息技术最早由英国科学家Dennis Gabor[1]在1948年提出,并随着激光的出现、计算机技术的提高以及高分辨率CCD (电荷耦合器件)的而不断发展进步。数字全息的概念则最早在1967年被Goodman提出[2],作为一种光电混合的系统,数字全息术传统全息技术有曝光时间短、无需光学元件聚焦、方便灵活等优点。较之传统的光学全息技术中诸如银盐全息干板、光刻胶等高分辨率的记录介质,数字全息技术以CCD取代干板来完成全息图的记录。相应地,整个过程省去了曝光、显定影等一系列繁琐的工作,实现了实现实时记录及再现。同时,由于其采用向计算机直接输入的方式使得图像能够长期存储,方便了数字化处理和再现过程的进行。另外,还可以通过后期优化得到更高质量的记录物体再现像。

最后,由于该技术可以实现振幅和相位信息的定量化,因而可用于多种测量,在微小颗粒的三维空间分布和粒径分布的测量[3]、细胞形态结构研究[4]、生物样品活体细胞的观察[5]、物件表面粗糙度检测[6]等方向拥有较广泛的应用前景。

本文中将数字全息技术应用于卤虫的孵化观测,通过记录不同阶段幼虫及成体,实现了从几百微米级到几毫米活体生物个体的全息图捕获,为其在生物方面的发展应用提供了参考借鉴的观测方法。

图1 数字全息图记录及再现示意图

图2 同轴全息光路示意图

2 数字全息技术原理及测量系统

2.1 数字全息技术基本原理

数字全息技术是利用光的干涉和衍射原理来实现物体图像记录和真实三维图像再现的,简单说其成像过程分为两步:干涉记录,衍射再现,见图1。

(1)通过CCD记录物光波和参考光波叠加形成的干涉条纹,得到数字全息图。

图3 数字全息测量系统图

图4 全息图与不同软件处理所得在焦像

图5 卤虫孵化过程中的几个特征阶段

图6 孵化后4-12天的卤虫幼虫

图7 孵化后22天的卤虫成体(左图为雌性;右图为雄性)

(2)根据衍射原理,通过数值计算方法对光学衍射过程进行模拟,以频率和传输方向与参考光波一致的激光束照射全息图实现数字全息图的再现过程。

2.2 数字全息测量系统

数字全息所能记录的物体衍射空间频率与CCD尺寸和空间分辨率成正比[7]。而由于CCD分辨率远低于传统的感光记录介质,限制了参考光波与物光波的记录范围,因此测量中常采用同轴光路装置[8],见图2。此外,同轴方法的优点还体现在以下两个方面:由于采用物光波和参考光波同轴照射,无需再附加参照光路;根据米氏散射理论,在激光能量有限的情况下,粒子前向散射光强最强,易于获得较高的信噪比[9]。

图3为本研究中用于观测卤虫生长的数字全息测量系统图。实验开始时所需观测的卤虫休眠卵,其直径大小约为200μm。由根据奈奎斯特采样定理可以知道,采样频率需至少为信号频率的两倍,则本实验中测量系统需满足不小于2pixel/200μm,即不大于100μ m/pixel。经测量换算可知现有系统的测量精度为8.84μm/pixel,完全可以满足上述要求。

3 卤虫生命周期观测实验

3.1 材料准备

实验仪器设备:一次性塑料滴管、烧杯、培养皿、石英比色皿、玻璃缸、放大镜、微量取样器、孵化器、温度计;充氧机、恒温水浴加热器、盐度计、PH计、导电率测试仪、照明台灯等。

实验用海水:取至石老人海水浴场的海水首先经砂芯漏斗过滤装置过滤,其次通过高温煮沸,冷却后密封备用。测得其盐度为35‰,比重为1.026,PH值为8.0,导电率为1734μs/cm。

饵料的培养:于中国科学院海洋研究所购得盐藻,之后采用f/ 2培养基,与上述处理过的海水配制成培养液,进行藻类的实验室培养。期间,通过恒温水浴加热的方式将培养温度控制在22℃左右,以照度为3000lx的光源照明,并控制明暗时间比为12h:l2h。

卤虫休眠卵的获得:经商业途径购买产自美国盐湖的卤虫休眠卵,置于实验室密封干燥阴凉环境保存,待实验时按需取用。

3.2 卤虫的孵化和培养

置于盛有实验用海水的石英比色皿中,通过恒温水浴加热将温度控制在26±1℃,并在整个孵化过程中持续照明和用微量泵进行持续的充氧。

孵化后,饲以盐藻并保持与孵化时相同的温度、光照及充氧条件。只是在用于观测记录时,从水浴玻璃缸中取出比色皿,置于数字全息测量系统的可升降平台上,之后放回原位继续培养。实验室培养3周后,部分个体长成可明显区别开来的雌雄成体。

3.3 全息图的观测记录及再现

孵化阶段,每2小时进行一次记录直至卤虫脱离卵壳。之后正常饲养过程中,每4天进行一次记录,直至个体成熟。

实验观测中为了得到生物体的更多细节信息,将所记录的数字全息图进行计算机图像再现。图4为全息图的原始图片及分别经过UU和HoloPrix软件处理后得到的在焦图像。

4 观测结果

对各个成长期卤虫的观测记录并进行数字全息图的重现,得到在焦像结果如下:

图5从左至右分别为脱水耐久卵,孵化开始后18小时呈现的降落伞状,以及24小时后的刚孵化幼虫,体长约为200μm。

图6从左到右依次为孵化后4天、8天和12天的幼虫,体长也从600μm左右增长到了1mm。

孵化后22天的卤虫已经长成可以区别出性别的成体,体长增加到8mm左右,达到了刚孵化时幼虫体长的40多倍。图7左右分别雌雄成体,可以看出雌性成体叶状足最后有育雏囊;而雄性头部的第二对触角相较雌性而言,尺寸特别大。

5 总结及展望

本文中将数字全息技术应用于实验室卤虫的孵化及不同生长发育阶段形态的观测,成功记录了幼虫至成虫的全息图片并通过图像重建找到清晰的在焦像。另外,鉴于此种方法可以实现活体的动态观测,既不会对生物造成伤害又免除了样品处理及人工判别的一系列繁琐工作。最后,可以看出,整个过程实现了对生物体从体长200 μm到8mm较大尺度跨越的成功观测,因而为该范围内中小型生物的实时观测提供了方法借鉴,拥有广阔的应用前景。

[1]Gabor D. Nature,1948,161:777.

[2]Goodman J w,Lawrence R W. Digital image formation from electrically detected hologram.Appl. Phys. Lett. ,1967,11(3): 77-79.

[3]蒲世亮,Denis Lebrun,王勤辉 等.激光数码全息测量技术在循环流化床中的应用．中国机电工程学报,2005,25(15):111-115.

[4]董可平,钱晓凡等.数字全息显微术对细胞的研究.光子学报,2007, 27(10):2013-2016.

[5]赵洁,王大勇等.数字全息显微镜术应用于生物样本相衬成像的实验研究．中国激光,2010,37(11):2906-2911.

[6]王广俊．数值全息技术及其在测量中的应用研究:[博士学位论文].北京:北京工业大学,2011.

[7]范琦,赵建林,等.改善数字全息显微术分辨率的几种方法.光电子．激光,2005,16(2):226-230.

[8]李志斌,郑刚,章立新,夏飞.一种去除离焦粒子像的简便方法.光电工程,2009,36(4):86-91.

[9]申功炘,张永刚,曹晓光,吴坚.数字全息粒子图像测速技术(DHPIV)研究进展.力学进展,2007,37(4):563-574.

国家自然科学基金：应用全息图像技术和模式识别研究桡足类浮游动物摄食行为与海洋物理因子的耦合关系,41376140。海洋流体环境中的小型海洋浮游生物在壁面边界层质量传递机理研究,51276174。