潘若凡 鐘娟 殷悅 李倩 陳嘉偉

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院機(jī)電工程系,山東青島 266100)

數(shù)字全息技術(shù)在鹵蟲(chóng)形態(tài)觀測(cè)方面的應(yīng)用

潘若凡 鐘娟 殷悅 李倩 陳嘉偉

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院機(jī)電工程系,山東青島 266100)

本文以數(shù)字全息技術(shù)為支撐,將該平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)和發(fā)展浮游動(dòng)物形態(tài)的測(cè)量和記錄。由于對(duì)浮游動(dòng)物的研究中,通常采取解剖、制成玻片的形式進(jìn)行觀察,并以手工繪圖的方式進(jìn)行生物體形態(tài)的記錄,工作復(fù)雜而繁瑣。考慮實(shí)驗(yàn)室研究對(duì)更優(yōu)化觀測(cè)方法的迫切需求,本研究工作以鹵蟲(chóng)為目標(biāo)生物,成功記錄了其從休眠卵到成體的形態(tài)。所建立的數(shù)字全息測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鹵蟲(chóng)從200μm-8mm不同體長(zhǎng)階段的記錄和全息片清晰再現(xiàn),為該尺度范圍浮游動(dòng)物的實(shí)時(shí)觀測(cè)提供了參考方法和借鑒技術(shù)。

數(shù)字全息 鹵蟲(chóng) 孵化 成體

1 引言

“全息”是指物體發(fā)出的光波的全部信息:既包括振幅或強(qiáng)度,也包括相位。而全息技術(shù)最早由英國(guó)科學(xué)家Dennis Gabor[1]在1948年提出,并隨著激光的出現(xiàn)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高以及高分辨率CCD (電荷耦合器件)的而不斷發(fā)展進(jìn)步。數(shù)字全息的概念則最早在1967年被Goodman提出[2],作為一種光電混合的系統(tǒng),數(shù)字全息術(shù)傳統(tǒng)全息技術(shù)有曝光時(shí)間短、無(wú)需光學(xué)元件聚焦、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。較之傳統(tǒng)的光學(xué)全息技術(shù)中諸如銀鹽全息干板、光刻膠等高分辨率的記錄介質(zhì),數(shù)字全息技術(shù)以CCD取代干板來(lái)完成全息圖的記錄。相應(yīng)地,整個(gè)過(guò)程省去了曝光、顯定影等一系列繁瑣的工作,實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄及再現(xiàn)。同時(shí),由于其采用向計(jì)算機(jī)直接輸入的方式使得圖像能夠長(zhǎng)期存儲(chǔ),方便了數(shù)字化處理和再現(xiàn)過(guò)程的進(jìn)行。另外,還可以通過(guò)后期優(yōu)化得到更高質(zhì)量的記錄物體再現(xiàn)像。

最后,由于該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)振幅和相位信息的定量化,因而可用于多種測(cè)量,在微小顆粒的三維空間分布和粒徑分布的測(cè)量[3]、細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)研究[4]、生物樣品活體細(xì)胞的觀察[5]、物件表面粗糙度檢測(cè)[6]等方向擁有較廣泛的應(yīng)用前景。

本文中將數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于鹵蟲(chóng)的孵化觀測(cè),通過(guò)記錄不同階段幼蟲(chóng)及成體,實(shí)現(xiàn)了從幾百微米級(jí)到幾毫米活體生物個(gè)體的全息圖捕獲,為其在生物方面的發(fā)展應(yīng)用提供了參考借鑒的觀測(cè)方法。

圖1 數(shù)字全息圖記錄及再現(xiàn)示意圖

圖2 同軸全息光路示意圖

2 數(shù)字全息技術(shù)原理及測(cè)量系統(tǒng)

2.1 數(shù)字全息技術(shù)基本原理

數(shù)字全息技術(shù)是利用光的干涉和衍射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)物體圖像記錄和真實(shí)三維圖像再現(xiàn)的,簡(jiǎn)單說(shuō)其成像過(guò)程分為兩步:干涉記錄,衍射再現(xiàn),見(jiàn)圖1。

(1)通過(guò)CCD記錄物光波和參考光波疊加形成的干涉條紋,得到數(shù)字全息圖。

圖3 數(shù)字全息測(cè)量系統(tǒng)圖

圖4 全息圖與不同軟件處理所得在焦像

圖5 鹵蟲(chóng)孵化過(guò)程中的幾個(gè)特征階段

圖6 孵化后4-12天的鹵蟲(chóng)幼蟲(chóng)

圖7 孵化后22天的鹵蟲(chóng)成體(左圖為雌性;右圖為雄性)

(2)根據(jù)衍射原理,通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法對(duì)光學(xué)衍射過(guò)程進(jìn)行模擬,以頻率和傳輸方向與參考光波一致的激光束照射全息圖實(shí)現(xiàn)數(shù)字全息圖的再現(xiàn)過(guò)程。

2.2 數(shù)字全息測(cè)量系統(tǒng)

數(shù)字全息所能記錄的物體衍射空間頻率與CCD尺寸和空間分辨率成正比[7]。而由于CCD分辨率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的感光記錄介質(zhì),限制了參考光波與物光波的記錄范圍,因此測(cè)量中常采用同軸光路裝置[8],見(jiàn)圖2。此外,同軸方法的優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:由于采用物光波和參考光波同軸照射,無(wú)需再附加參照光路;根據(jù)米氏散射理論,在激光能量有限的情況下,粒子前向散射光強(qiáng)最強(qiáng),易于獲得較高的信噪比[9]。

圖3為本研究中用于觀測(cè)鹵蟲(chóng)生長(zhǎng)的數(shù)字全息測(cè)量系統(tǒng)圖。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)所需觀測(cè)的鹵蟲(chóng)休眠卵,其直徑大小約為200μm。由根據(jù)奈奎斯特采樣定理可以知道,采樣頻率需至少為信號(hào)頻率的兩倍,則本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量系統(tǒng)需滿足不小于2pixel/200μm,即不大于100μ m/pixel。經(jīng)測(cè)量換算可知現(xiàn)有系統(tǒng)的測(cè)量精度為8.84μm/pixel,完全可以滿足上述要求。

3 鹵蟲(chóng)生命周期觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 材料準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備:一次性塑料滴管、燒杯、培養(yǎng)皿、石英比色皿、玻璃缸、放大鏡、微量取樣器、孵化器、溫度計(jì);充氧機(jī)、恒溫水浴加熱器、鹽度計(jì)、PH計(jì)、導(dǎo)電率測(cè)試儀、照明臺(tái)燈等。

實(shí)驗(yàn)用海水:取至石老人海水浴場(chǎng)的海水首先經(jīng)砂芯漏斗過(guò)濾裝置過(guò)濾,其次通過(guò)高溫煮沸,冷卻后密封備用。測(cè)得其鹽度為35‰,比重為1.026,PH值為8.0,導(dǎo)電率為1734μs/cm。

餌料的培養(yǎng):于中國(guó)科學(xué)院海洋研究所購(gòu)得鹽藻,之后采用f/ 2培養(yǎng)基,與上述處理過(guò)的海水配制成培養(yǎng)液,進(jìn)行藻類(lèi)的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。期間,通過(guò)恒溫水浴加熱的方式將培養(yǎng)溫度控制在22℃左右,以照度為3000lx的光源照明,并控制明暗時(shí)間比為12h:l2h。

鹵蟲(chóng)休眠卵的獲得:經(jīng)商業(yè)途徑購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)自美國(guó)鹽湖的鹵蟲(chóng)休眠卵,置于實(shí)驗(yàn)室密封干燥陰涼環(huán)境保存,待實(shí)驗(yàn)時(shí)按需取用。

3.2 鹵蟲(chóng)的孵化和培養(yǎng)

置于盛有實(shí)驗(yàn)用海水的石英比色皿中,通過(guò)恒溫水浴加熱將溫度控制在26±1℃,并在整個(gè)孵化過(guò)程中持續(xù)照明和用微量泵進(jìn)行持續(xù)的充氧。

孵化后,飼以鹽藻并保持與孵化時(shí)相同的溫度、光照及充氧條件。只是在用于觀測(cè)記錄時(shí),從水浴玻璃缸中取出比色皿,置于數(shù)字全息測(cè)量系統(tǒng)的可升降平臺(tái)上,之后放回原位繼續(xù)培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)3周后,部分個(gè)體長(zhǎng)成可明顯區(qū)別開(kāi)來(lái)的雌雄成體。

3.3 全息圖的觀測(cè)記錄及再現(xiàn)

孵化階段,每2小時(shí)進(jìn)行一次記錄直至鹵蟲(chóng)脫離卵殼。之后正常飼養(yǎng)過(guò)程中,每4天進(jìn)行一次記錄,直至個(gè)體成熟。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中為了得到生物體的更多細(xì)節(jié)信息,將所記錄的數(shù)字全息圖進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖像再現(xiàn)。圖4為全息圖的原始圖片及分別經(jīng)過(guò)UU和HoloPrix軟件處理后得到的在焦圖像。

4 觀測(cè)結(jié)果

對(duì)各個(gè)成長(zhǎng)期鹵蟲(chóng)的觀測(cè)記錄并進(jìn)行數(shù)字全息圖的重現(xiàn),得到在焦像結(jié)果如下:

圖5從左至右分別為脫水耐久卵,孵化開(kāi)始后18小時(shí)呈現(xiàn)的降落傘狀,以及24小時(shí)后的剛孵化幼蟲(chóng),體長(zhǎng)約為200μm。

圖6從左到右依次為孵化后4天、8天和12天的幼蟲(chóng),體長(zhǎng)也從600μm左右增長(zhǎng)到了1mm。

孵化后22天的鹵蟲(chóng)已經(jīng)長(zhǎng)成可以區(qū)別出性別的成體,體長(zhǎng)增加到8mm左右,達(dá)到了剛孵化時(shí)幼蟲(chóng)體長(zhǎng)的40多倍。圖7左右分別雌雄成體,可以看出雌性成體葉狀足最后有育雛囊;而雄性頭部的第二對(duì)觸角相較雌性而言,尺寸特別大。

5 總結(jié)及展望

本文中將數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室鹵蟲(chóng)的孵化及不同生長(zhǎng)發(fā)育階段形態(tài)的觀測(cè),成功記錄了幼蟲(chóng)至成蟲(chóng)的全息圖片并通過(guò)圖像重建找到清晰的在焦像。另外,鑒于此種方法可以實(shí)現(xiàn)活體的動(dòng)態(tài)觀測(cè),既不會(huì)對(duì)生物造成傷害又免除了樣品處理及人工判別的一系列繁瑣工作。最后,可以看出,整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物體從體長(zhǎng)200 μm到8mm較大尺度跨越的成功觀測(cè),因而為該范圍內(nèi)中小型生物的實(shí)時(shí)觀測(cè)提供了方法借鑒,擁有廣闊的應(yīng)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,王勤輝 等.激光數(shù)碼全息測(cè)量技術(shù)在循環(huán)流化床中的應(yīng)用．中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào),2005,25(15):111-115.

[4]董可平,錢(qián)曉凡等.數(shù)字全息顯微術(shù)對(duì)細(xì)胞的研究.光子學(xué)報(bào),2007, 27(10):2013-2016.

[5]趙潔,王大勇等.數(shù)字全息顯微鏡術(shù)應(yīng)用于生物樣本相襯成像的實(shí)驗(yàn)研究．中國(guó)激光,2010,37(11):2906-2911.

[6]王廣?。?dāng)?shù)值全息技術(shù)及其在測(cè)量中的應(yīng)用研究:[博士學(xué)位論文].北京:北京工業(yè)大學(xué),2011.

[7]范琦,趙建林,等.改善數(shù)字全息顯微術(shù)分辨率的幾種方法.光電子．激光,2005,16(2):226-230.

[8]李志斌,鄭剛,章立新,夏飛.一種去除離焦粒子像的簡(jiǎn)便方法.光電工程,2009,36(4):86-91.

[9]申功炘,張永剛,曹曉光,吳堅(jiān).數(shù)字全息粒子圖像測(cè)速技術(shù)(DHPIV)研究進(jìn)展.力學(xué)進(jìn)展,2007,37(4):563-574.

國(guó)家自然科學(xué)基金：應(yīng)用全息圖像技術(shù)和模式識(shí)別研究橈足類(lèi)浮游動(dòng)物攝食行為與海洋物理因子的耦合關(guān)系,41376140。海洋流體環(huán)境中的小型海洋浮游生物在壁面邊界層質(zhì)量傳遞機(jī)理研究,51276174。