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《江南大学》 2017年
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非相干条件下的弱散射样品相位恢复成像技术研究

余伟  
【摘要】:随着生命科学的发展,对于疾病的检测要求日益提升,需要高精度的检测工具对病毒或生物样品进行检测,检测精度往往需要达到微米甚至纳米尺度。光学检测作为一种高精度的测量手段,在医疗及生物探测领域发挥着无可替代的作用。作为光学与医学高度结合的学科,生物医学光子学应运而生。通常的光学检测记录装置只能探测样品的振幅信息,如传统光学显微镜,相位信息无法直接获得。然而,样品的相位包含其结构、厚度、三维形貌等重要信息,因此对相位信息的探测十分必要。根据所探测相位信息是否定量可分为非定量相位探测技术以及定量相位探测技术。非定量相位探测技术主要包括:相衬显微技术以及后来改进的微分干涉相衬显微技术。定量相位探测技术主要包含:全息技术、哈特曼波前传感技术、基于强度传输方程的相位探测技术以及相干衍射成像技术。相比于其他几种相位探测技术,相干衍射成像技术作为一种无透镜成像技术依据其分辨率高、测量精确、无相差等优势在生物体及疾病探测领域有着极为广泛的应用。作为相干衍射成像技术的拓展,Ptychographic Iterative Engine(PIE)技术因其成像视场大、收敛速度快等优势引起了国际社会的广泛关注并得到了广泛的应用。与相干衍射成像相同,PIE技术要求照明光源为完全相干光源,然而在X射线及短波长成像领域,光源的相干性往往难以达到完全相干要求,势必会导致恢复的样品信息模糊。为了突破完全相干照明光源的限制,本文从光源的非相干性出发,研究了宽谱光源对PIE成像技术的影响,将光源的光谱信息纳入重建迭代过程中,提出polyPIE算法,有效解决了宽谱光源照明条件下重建像模糊问题。文中进一步探讨了宽谱光源照明条件下的照明光重建问题,提出E-polyPIE算法,有效重建了照明光源的信息,为其进一步应用奠定了基础。对于瑞士光源、上海光源这样的大型同步辐射装置,其装置抖动在所难免。因此如何在非相干照明条件下重建清晰的再现像成为当下急需解决的问题。本文从衍射斑结构出发,分析了非相干照明条件下的衍射斑分布情况,得出非相干光源照明条件下衍射斑中间零级光场依然可以看作是完全相干光场叠加而成的重要结论,从模拟和实验两方面对理论进行验证,相对于传统PIE算法重建结果,只利用中间零级光场迭代恢复重建像能较好的反应样品的细节信息,重建像不再模糊。从模拟和实验两方面对其进行验证。对于X射线或者电子束等短波长照明光源,其成像样品往往可以看做是弱散射样品,若用此类光源作为照明光源,利用中间零级光场迭代重建虽然能一定程度上提高再现像的清晰度,然而由于只利用中间零级光场恢复,重建像的对比度削弱,其细节结构观测较为困难。为了进一步提高再现像的对比度,本文提出了一种利用零级光场强度高次方进行迭代恢复的方法,很好的提高了再现像的对比度。文章从数值模拟和实验两方面对所提出理论进行证明,充分证明了该方法的可行性。至此,本文从光源的时间及空间非相干性两方面对PIE技术进行探讨,系统地研究了非相干光源条件下的PIE成像技术的影响,并分别提出解决方法,从理论和实验两方面对所提方法进行验证,均很好地再现了样品的细节信息。从而摆脱了PIE技术对完全相干光源的依赖,极大拓宽了其应用领域。
【关键词】:相位检测 相干衍射成像 非相干光源
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O436.1
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-9
  • 第一章 绪论9-17
  • 1.1 引言9
  • 1.2 非定量相位检测技术9-11
  • 1.2.1 相衬显微技术9-11
  • 1.2.2 微分干涉相称显微技术11
  • 1.3 定量相位检测技术11-15
  • 1.3.1 全息测量技术11-13
  • 1.3.2 哈特曼波前探测技术13-14
  • 1.3.3 基于强度传输方程相位探测技术14-15
  • 1.3.4 CDI技术发展历程及研究现状15
  • 1.4 本文研究内容及结构15-17
  • 第二章 PIE成像理论基础17-28
  • 2.1 标量衍射理论17-21
  • 2.1.1 基尔霍夫衍射理论17-19
  • 2.1.2 基尔霍夫衍射和夫朗禾费衍射原理19-21
  • 2.2 衍射的角谱理论21-22
  • 2.3 CDI基本原理22-25
  • 2.4 PIE基本原理25-27
  • 2.5 本章小结27-28
  • 第三章 宽谱光源对PIE成像的影响28-35
  • 3.1 宽谱光源对PIE成像的影响28
  • 3.2 polyPIE算法重建步骤28-30
  • 3.3 数值模拟30-31
  • 3.4 E-polyPIE成像原理及数值模拟31-33
  • 3.5 本章小结33-35
  • 第四章 光源空间非相干性对PIE成像的影响35-40
  • 4.1 空间非相干光源照明对PIE成像的影响35
  • 4.2 非相干照明条件下衍射斑理论分析35-37
  • 4.3 数值模拟及实验验证37-39
  • 4.4 本章小结39-40
  • 第五章 部分相干条件下的弱散射样品PIE成像40-46
  • 5.1 部分相干照明条件弱散射样品重建研究40
  • 5.2 理论分析40-41
  • 5.3 数值模拟及实验验证41-45
  • 5.4 本章小结45-46
  • 第六章 总结与展望46-47
  • 6.1 科研成果总结46
  • 6.2 工作展望46-47
  • 致谢47-48
  • 参考文献48-51
  • 附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文51

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