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《北京工业大学》 2018年
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自适应非相干数字全息快速三维成像

满天龙  
【摘要】:对生命科学领域不断深入的探索与研究迫切地需要光学显微成像技术可以看得更小、更清、成像速度更快。近年来对于光学三维显微成像技术的研究主要聚焦于成像分辨率、成像视场、成像速度等性能指标的追求和提升,以期实现样品的高分辨率大视场快速三维成像。非相干数字全息技术可实现宽场三维成像,并且成像过程中不需要任何扫描装置、系统机械件或样品的移动。基于非相干数字全息技术实现的高分辨率荧光非扫描三维显微成像方法,在面向生物样品成像时具有极大的应用潜力,是目前光学三维显微成像领域的研究前沿之一。生物细胞或组织等样品往往具有较为复杂的三维结构。因此,生命科学领域的实际研究中要求成像方法具有较高的轴向成像分辨率,并能提供光学层析的成像能力。另一方面,生物样品内由于折射率不均匀分布所导致的光学像差严重地影响了三维光学显微成像系统的实际成像性能。发展一种面向实际生物样品成像的三维、快速、层析、自适应显微成像技术具有重要的意义。然而,非相干数字全息技术在轴向成像分辨率、成像速度和成像质量等方面达到的现有水平,限制了该技术在生命科学领域研究中的进一步应用。本论文以非相干数字全息技术为核心,以提高和拓展非相干数字全息显微成像技术的成像性能为切入点,研究实现非相干数字全息自适应快速三维成像的方法,旨在提高现有非相干数字全息术的成像速度和轴向成像分辨率等性能,同时发展基于非相干全息的快速光学像差探测和校正方法以实现高质量的三维成像。本论文的主要研究内容和研究成果概括为以下几方面:1、阐明了自适应非相干数字全息三维成像的基本原理。在明确非相干数字全息基本概念的基础上,详细阐述了两种基于不同光路配置实现非相干数字全息记录的具体技术:基于三角干涉光路的三角数字全息(Trianglar Holography)和菲涅耳非相干关联数字全息(Fresnel Incoherent Correlation Holography,FINCH)。给出了不同类型全息图的重建算法。以FINCH为例,理论分析了非相干数字全息系统的成像特性。为发展非相干数字全息自适应三维层析成像技术,进一步阐明了论文后续研究中用到的压缩感知技术的基本原理和自适应光学中像差的数学描述、波前传感和波前校正的基本原理。2、发展了基于三角干涉光路的单次曝光离轴数字全息成像方法,搭建实验系统,实现了运动样品的单次曝光三维成像,并明确了该技术对运动样品进行三维追踪成像时的定位分辨率。将该方法应用于斑马鱼幼苗的三维位置实时追踪中,并实现了斑马鱼在任意时刻的聚焦图像重建和三维运动轨迹的提取。3、发展了基于同轴共路FINCH的压缩并行相移数字全息成像方法,与基于离轴光路的单次曝光成像方法相比,充分利用了系统的空间带宽积,在不损失系统成像分辨率的前提下,实现了单次曝光三维成像,提升了成像速度。采用空间分区复用在单幅全息图记录过程中实现所需求的多个相移值,从单个空间复用的并行全息图中提取具有不同相移值的子全息图,基于相移全息术重建算法实现单次曝光三维成像。针对并行相移非相干数字全息技术中存在的相移误差,和欠采样问题导致的重建像质量下降问题,进而提出了一种基于重建像质量优化的相移误差校正方法,并在压缩感知理论体系下建立了并行相移非相干全息成像的传感矩阵等重要理论模型。通过对全息图进行压缩重建的方式,提高了并行相移非相干数字全息术的成像质量。4、发展了非相干数字全息三维层析成像方法,阐明了不同非相干数字全息机制(FINCH和Interferenceless Coded Aperture Correlation Holography,I-COACH)作为压缩感知过程的理论体系,并建立了系统的三维成像压缩传感模型。基于FINCH系统实现了非相干数字全息三维层析成像,给出了全息图压缩重建精度的定量评价方法。通过实验证明了压缩感知体系下系统轴向重建精度的提高。基于压缩I-COACH系统,提高了现有COACH技术的轴向重建精度。在不损失成像视场的前提下实现了单次曝光三维成像。5、研究了非相干数字全息自适应成像实现的方法和其中涉及的关键问题。利用非相干全息技术对于点源的波前记录和重建能力,在三角全息系统中实现了基于引导星的自适应光学像差校正。面向厚生物样品的三维成像应用和实际需求,提出了一种荧光数字全息计算自适应成像方法,实现了无引导星、无波探测器和无波前校正器的快速非扫描自适应三维成像。理论上分析了非相干全息记录过程作为一种波前传感机制的可行性,并提出了一种基于全息重建像质量优化的计算自适应像差校正算法,搭建了倒置式荧光数字全息显微成像系统,实验研究了所提出方法的像差校正效果和成像分辨率等性能。实现了三维分布的荧光微球和人体癌细胞样品的非扫描自适应三维成像。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP391.41;TH74

【参考文献】
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