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数字全息显微成像提高分辨率机理及其实验研究

林巧文  
【摘要】:数字全息显微成像技术是传统光学显微术、计算机技术和光电探测技术相结合的产物。光电技术以及计算机技术的快速发展,推动了数字全息定量相衬成像的快速发展。由于数字全息定量相衬成像不仅具有快速、实时、非接触、全视场、能同时定量的获得物体的振幅和相位信息的特点,还具有处理灵活、便于存储等优点,在细胞等透明或者半透明物体的形貌观测、微纳元件检测、温度场、粒子跟踪、变形测量等方面有着广泛的应用前景。随着生命科学和微纳科学的飞速发展,对微纳结构物体的检测精度提出了更高的要求,相应的迫切需要高分辨率的成像手段。而其主要取决于数字全息显微定量相衬成像系统的分辨率,数字全息成像受到光电探测器靶面尺寸等的影响,分辨率受限。因此提高数字全息定量相衬成像分辨率的方法具有重要的研究意义和应用价值。本论文主要研究了提高数字全息定量相衬成像系统分辨率的方法,论文的主要研究内容包括以下几个方面:1.研究了基于振幅型液晶空间光调制器的动态光栅提高数字全息定量相衬成像分辨率的方法。分析了该成像系统获得的物体频谱范围以及点扩散函数,定量给出了多重衍射级次再现像的分离条件。利用数值仿真验证了理论分析的正确性。构建了基于振幅型液晶空间光调制器动态光栅数字全息成像实验系统。与传统无透镜傅里叶变换数字全息成像系统相比,系统的成像分辨率由55.7μm提高到了31.3μm,从而验证了该系统提高成像分辨率的有效性。通过动态调整振幅型液晶空间光调制器上加载光栅的周期和方向改变成像系统的分辨率,使基于光栅的数字全息成像系统的使用和调整更具灵活性。2.建立了微球耦合样品表面的倏逝波转换成传输波参与远场成像的数学模型,分析了基于微球远场超分辨率成像机理。定量地分析了基于微球成像系统的分辨率和视场与微球的半径以及折射率的相互约束关系。利用COMSOL Multiphysics软件对微球的聚焦特性进行了仿真,仿真实验验证了微球具有收集倏逝波的能力;搭建了基于微球的白光显微强度成像实验系统,利用微球白光显微成像系统对一维光栅和二维点状物进行了成像实验,结果表明,系统可以分辨140nm的细节信息,实验验证了微球具有耦合样品表面倏逝波并转换成远场传输波并参与成像的机理。3.提出了一种基于微球的超分辨率数字全息显微定量相衬成像方法,实现了微纳结构样品的定量振幅和相衬成像。设计并搭建了基于微球的倒置式像面超分辨率数字全息显微定量相衬成像系统,利用255nm线宽的余弦光栅完成了超分辨率成像,实验验证了系统成像分辨率小于λ/2,突破了衍射极限。由于微球具有圆对称性,利用单幅全息图可同时提高成像系统各个方向的横向分辨率,该方法为微纳结构样品相衬成像的研究开辟了新的途径。4.搭建了一套倒置式预放大离轴像面数字全息系统,使用美国空军分辨率板作为标准物体,实验结果表明系统的横向分辨率为0.87μm,该系统具有良好的成像质量。利用该系统实时监测活体乳腺癌细胞MDA-MB-231的动态变化过程。实验观察到了细胞的迁移和分裂现象,计算得到细胞迁移的平均速率和细胞分裂周期的时间,并进一步地获得该种癌细胞在与紫杉醇药物作用后的起泡现象以及药物分布在细胞微管末端的规律,这可用于在亚细胞尺度分析紫杉醇作用于活体乳腺癌细胞的抗癌机理。


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