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《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》 2014年
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LED照明的数字全息显微研究

郭荣礼  
【摘要】:数字全息显微是数字全息和光学显微相结合的一种干涉成像技术,它可以获得微观样品的复振幅分布,可以在计算机中完成数值聚焦、相位补偿等功能。在数字全息显微中,利用复振幅中的相位,可以得到样品表面轴向分辨率可达到几纳米的三维形貌分布,或者其它与位相相联系的物理量,即实现相衬成像。数字全息相衬显微技术为微结构形貌测量、生物细胞成像、微流控测量等领域提供了一种非接触、实时和全场测量的手段。 本论文旨在探索低相位噪声、大的无包裹相位成像深度、高稳定性的相衬显微技术。本论文提出了两种用LED光源照明的数字全息显微方案,降低了相位噪声;提出了用双波长LED光源照明的数字全息显微方案,用小波滤噪的方法克服了双波长干涉测量中的噪声放大问题,扩展了无包裹相位成像的范围;构建了两种反射式点衍射数字全息显微装置,提高了测量的稳定性。 本论文的具体工作包括以下五方面: 1、提出了一种采用LED照明的离轴数字全息显微方案。所提出的方案包含Linnik显微干涉光路和4f偏振滤波系统两部分。该方案通过一次曝光记录可获得离轴数字全息图,全息图在整个视场中都具有均匀且最优的对比度。它具有低相位噪声和实时测量的优点,为微纳结构、MEMS表面的测量提供了一种高精度的解决方案,可用于运动物体或动态过程的实时观测。 2、利用两步盲相移算法,在Linnik干涉仪的基础上提出了一种LED光源照明的轻离轴相移数字全息显微方案。实验中,通过机械移动参考镜从而引入相移,抛弃了传统的相移干涉中采用的PZT等相移器件。两幅干涉图之间的相移值通过傅里叶分析在频域获得,进而重建出物光波的复振幅分布。对实验中用到的两步盲相移算法的性能进行了分析、比较。该方案的优点是低成本、低位相噪声以及光路调节简单。 3、提出了采用小波滤噪的方法解决双波长相位成像中的噪声放大问题,实现了波长间隔为20nm的两个LED光源照明的双波长数字全息显微。实验中用到的两个LED的中心波长分别为630nm和650nm,合成波长为20.475m。虽然扩展了相位测量中的无包裹相位成像范围,但是,此时的相位噪声与单一波长时的噪声相比放大了2×20.475/0.63=65倍。模拟与实验结果表明,用所提出的算法成功降低了噪声,最终的相位噪声降低到了单一波长测量时的水平。 4、提出了基于反射式点衍射干涉的同轴相移数字全息显微。其中物光频谱经针孔反射镜滤波后作为参考光,同轴记录提高了CCD空间带宽的利用率,结合偏振相移干涉技术,依次记录4幅相移干涉图,消除了零级和共轭像。该装置具有物参共路的特点和长时间的稳定性。 5、提出了基于同轴反射式点衍射的并行相移数字全息显微。该装置基于迈克尔逊干涉仪,物光频谱经针孔反射镜滤波后作为参考光,由朗奇光栅和4f系统结合用于平行分光,通过一次曝光可以记录两幅90°相移干涉图。该装置可用于相位物体动态变化过程的定量测量。
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