数字全息显微镜（Digital holographic microscopy，简称DHM）是数字全息技术在显微领域的应用，也被称为全息显微术。与其他显微技术相比，数字全息显微镜并不直接记录被观测物体的图像，而是记录含有被观测物体波前信息的全息图，再通过计算机对所记录的全息图进行数值重建来得到被测物体的相位和振幅（光强）信息，进而完成数字三维重构。打个形象的比方来理解数值重建这个过程，就是利用计算机算法代替传统光学显微镜中的成像透镜。
其他一些同数字全息显微技术相关的显微术包括干涉显微镜（Interferometric microscopy）、光学相干断层扫描技术（Optical coherence tomography，简称OCT）以及衍射相差显微镜（diffraction phase microscopy）。这些显微技术的共同点是都有一束参考波前，用来同时获得振幅和相位信息，信息被数字图像传感器采集，再通过计算机重建形成被测物体的图像。与之相比，传统的光学显微镜由于没有参考波束，只能记录振幅（光强）而没有相位，因此并不能读取物体的三维信息。
- 中文名
- 数字全息显微镜
- 外文名
- Digital Holographic Microscopy
- 特 点
- 动态三维形貌或者四维形貌
- 应用领域
- 表面形貌,MEMS振动分析,活体细胞
图1、DHM的工作原理 [1]通过激光器发出的激光主要有两种典型的光路布局，反射式和透射式。
图2、反射式DHM
图3、透射式DHM数字全息显微镜相比其他显微术，比如激光共聚焦显微镜（Laser confocal microscopy）、白光干涉仪（White light interferometry，WLI）和激光多普勒测振仪（Laser doppler vibrometer, LDV），有以下一些独特的优势：
图4、DHM数字自动聚焦原理 [3]光的波长是一种极其精确稳定的参照长度，早在1960年，国际单位制就已经使用氪86（氪的一种放射性同位素）的放射线波长作为长度度量衡的标准 [6]。数字全息显微镜利用干涉滤波产生的极其稳定的单色激光，以此波长作为度量衡测量微观结构，测量精度可以达到皮米级 [7]。
数字全息显微镜能够实现三维形貌的实时呈现，得益于它非扫描机制 [1]。抓取单张全息图的时间是由相机的快门速度决定的，因此数字全息显微镜能够轻松实现普通视频速率，比如30帧/秒。而利用超高速相机，甚至能达到1000帧/秒的抓取速率 [8]。
透明样品，比如说细胞，利用传统的相衬显微镜只能进行观测。透射式的数字全息显微镜记录光在经过细胞之后的相移信息，不仅能观测细胞，还能进行三维重建和量化分析，因此也被称为量化相衬显微法 [1]。细胞中的相移是由细胞内不同组织细微折射率的变化引起的，因此数字全息显微镜观测细胞无须对细胞进行任何标记，比如荧光染色，纳米颗粒或是辐射，这样不会对被观测细胞造成任何损伤或是外在影响 [4]。
和其他干涉技术一样，数字全息显微镜产生干涉的前提是两束光的光程差要小于相干长度。由于观测不同大小物体需要使用不同放大倍数的物镜，因此物光O的光程会因此改变。数字全息显微镜能根据不同物镜自动调节参考光R的光程，使得两束光的光程差总是符合产生干涉的条件，这种设计也使得各物镜下达到共焦的效果 [9]。
经过20世纪初的十多年发展，数字全息显微镜已经在各领域内拥有众多成功案例，这些领域归结起来主要涵盖了无标记生物细胞检测 [10]、材料表面度量 [11]、微系统与微机电系统多维振动分析 [12]、动态形貌测量 [13]、微光学元件检测 [14]等。
无标记生物细胞观测
图5、DHM测量单个血红细胞三维形貌 [15]
图6、DHM对酵母菌动态跟踪 [10]材料表面度量
图7、DHM测量表面粗糙度 [11]微系统与微机电系统MEMS多维振动分析
图8、DHM同时检测MEMS器件面内和离面运动
图9、DHM测量MEMS悬臂梁不同谐振模态动态形貌测量
图10、DHM动态三维测量表面凹孔微光学元件检测(表面形貌测量,折射率)
图11、DHM测量微透镜阵列 [14]数字全息显微镜 (DHM) 采用非扫描 (non-scanning) 技术，全视场瞬态成像四维量测，单帧全息图包含三维形貌信息，纵向亚纳米测量精度由激光本征波长决定，使用普通显微物镜便于维护保养。白光干涉仪(White light interferometer)采用垂直扫描(vertical scanning)技术，利用干涉条纹对被测样品进行机械垂直扫描来获得静态三维形貌信息，使用特殊干涉物镜并无法显示动态四维形貌。共聚焦显微镜(Confocal Microscope)同样采用扫描技术测量静态三维形貌，单张测量时间较长因此也无法实现四维形貌测试。激光多普勒测振仪（Laser doppler vibrometer）则采用单点测量，需横向扫描得到样品多点振动信息，受激光斑点大小影响，对于微小面内振动（in plane）的测量精度有限。
上世纪60年代末到70年代初，陆续出现了关于数字全息概念的报道，即利用数字成像取代传统胶片曝光的方式来记录全息图，之后再通过数值重建来还原物体图像 [21-23]。然而，当时的数字成像水平和计算机数值处理能力远远不能满足数字全息的实用化，因此在经历了最初几年的研究热潮之后，数字全息技术陷入了沉寂。不过，对数字全息技术的研究并没有中断，而是逐渐细分为两个不同的方向：一是由全息图数值重建物体图像，二是由物体三维模型数值计算出全息图。这两个方向并行发展到今天，即是我们所说的数字全息显微（DHM）和计算机生成全息图（Computer-generated Holography，检测CGH）。
到了上世纪90年代中期，数字成像传感器和计算机处理能力有了大幅度的发展和提高，但当时的成像传感器主要是兼容各种彩电制式（PAL、NTSC或者SECAM）的低像素传感器，只能够勉强满足数字全息显微的要求，离实用化相距甚远 [24]。最早关于数字全息显微应用的报道来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Etienne Cuche（现为瑞士Lyncée tec公司CTO） [25]。
给数字全息显微技术带来革命性发展的是20世纪初数码照相机的普及，市场被需求所驱动不断推出各种低成本高像素的CCD或者CMOS图像传感器。与此同时，在全息技术中关键的激光器也受益于半导体产业的发展，出现了各种超小型高性能的激光二极管，为数字全息技术的普及和实用化提供了必要条件。在这之后，诞生了最早几家提供数字全息显微技术的商业公司，4Deep inwater imaging, Phase Holographic Imaging, 和Lyncée tec。其中瑞士Lyncée tec是市场上最早也是同时提供透射式和反射式专业全息显微镜的公司，DHM®为其公司注册商标。
