白光衍射相位成像光晕效应消除方法研究

【摘要】：衍射相位显微术(Diffraction Phase Microscopy,DPM)是一种高精度相位成像技术,它综合了定量相位成像技术的无标记、非接触、全场定量测量的成像特点,能够准确地获取被测显微样品的相位信息。同时,DPM利用衍射光栅、4f透镜系统、滤波器和相机,形成了紧凑的共路径Mach-Zehnder干涉仪,相比于传统的非共路Mach-Zehnder干涉仪,该光路中物光与参考光经过相同的光学元件,提高了系统稳定性,明显降低了时间噪声。而且搭建的光路系统满足离轴全息的记录条件,因此只需捕获单帧全息图就能实现物体相位图像的重建,以致成像速度快,有利于样品动态特性的测量。衍射相位成像技术最初是采用激光作为照明光源。由于激光的高相干性,导致了激光散斑噪声的产生,降低了相位像的质量。当采用白光照明衍射相位成像系统时,相干长度非常短,可以避免由光源相干性导致的相干噪声,相比于激光衍射相位成像系统具有更高的时空敏感性。因此,白光衍射相位成像技术在细胞成像、无损检测、材料表征等方面有着极其广泛的应用。虽然白光衍射相位成像技术具有很高的时空灵敏性,但是白光衍射相位成像系统采用扩展的白光光源照明,照明光波不可能是完全的平面光波,它的空间相干面积一般小于测量视场,从而使得相位像中出现与物体结构相依赖的光晕效应,阻碍对样品相位信息的准确测量。目前,采用低相干光源照明的相位成像技术中,如Zernike相衬成像技术、SLIM相位成像技术、白光照明光强传输方程相位成像技术,均存在光晕效应影响。因此,消除光晕效应对采用低相干光源照明的成像系统来说是急需解决的问题。本论文研究白光衍射相位成像光晕效应的消除方法,主要包括以下几部分的研究内容:论文首先讨论了白光衍射相位成像技术的基本原理,其中包括成像系统的光路结构、全息图的记录过程、频谱分布特点、数字再现方法以及相位展开的解包裹算法,这些成像的基本理论知识为后续研究工作提供了支撑。然后,在成像理论的基础上,全面的分析了采用白光照明后,衍射相位成像中光晕效应的产生原因。为了消除光晕效应,可以通过优化实验装置或是数值处理的方式来消除光晕效应。本文提出了两种数值处理方法,即正则迭代算法和希尔伯特变换方法。正则迭代算法是通过建立白光衍射相位成像系统的数学模型,并利用样品的先验条件正则约束,经过多次迭代得到样品准确的相位信息,从而得到无光晕相位像。希尔伯特变换方法不需要样品的任何先验知识,只需将测量相位像的导数作希尔伯特变换,并将变换后得到的图像和原测量图像中正确的高频数据和低频数据准确混合,即可有效地消除光晕效应,并保留白光系统相位成像的高分辨率。相比于正则迭代算法,减少了部分工作量,提高了计算速度。最后,基于上述研究工作的基础,搭建了白光衍射相位成像装置,并对该装置的时空噪声进行了测试,证实了该装置具有非常高的成像时空敏感性。基于此装置,测量了大量的聚苯乙烯微球和人体血红细胞样品。并用本文提出的正则迭代算法和希尔伯特变换方法处理测量相位像,将处理后的相位像与测量相位像进行对比分析。实验验证了本文提出的两种方法都能很好的去除光晕效应。但是,正则迭代算法较为复杂,耗时较长,不利于样品动态特性的测量,而希尔伯特变换方法消除光晕效应更快速。