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基于时空扫描的数字全息高分辨率成像方法研究

崔昱桐  
【摘要】:数字全息成像技术是一种新型的非接触、高分辨率成像技术,能够同时获得物体的振幅信息和相位信息,并且具有快速处理以及对相位信息进行数值分析的优点。相位信息可以反映出待测物的折射率和内部结构的变化,尤其是通过相位信息可以准确地识别出透明物体的组织结构分布。因此,数字全息技术在对于透明物体成像中有着传统光学成像手段所不具有的优势。植物细胞中的组织通常是透明的,传统光学成像需要对细胞染色后才能对细胞组织的形态进行成像,而采用数字全息成像技术可以对活体细胞进行无标记、无损伤的实时记录,实现高分辨率的动态成像。本论文面向微流控芯片成像应用,研究基于时空扫描的数字全息高分辨率成像方法,在时空扫描数字全息记录、成像重构处理等方面开展研究,旨在提高动态物体成像分辨率和成像质量。研究工作主要包括以下内容:对微流控芯片中微流体的流速进行了数字全息成像实验,利用数字全息重构相位图表征了流体流速的分布,验证了流速对于相位值的影响。实验中采用玻璃材质Y型微流控芯片进行成像研究,芯片的玻璃基底与其通道内注液的折射率不同,通过数字全息成像重构的相位图可以表征出折射率的差别。微流控通道内不同流速的重构相位结果表明,相位值随着所测流速增大而增大。通过分别记录X方向、Y方向以及斜向上的时空扫描视频全息图并拼接合成和重构成像,实验验证了时空扫描全息成像方法能较大程度地提升成像分辨率。提出采用面阵CCD进行区域扫描记录视频数字全息图,利用面阵CCD上不同的像素列,仅需记录一次视频数字全息图,就可构建多幅彼此具有固定相移的时空全息图。进一步,对这些彼此相移时空全息图的重构振幅像进行叠加处理后,获得的振幅图的图像质量显著提高。实验中,采用区域扫描记录分辨率板全息图,对其64幅振幅图进行叠加去噪后,获得成像质量显著提高的振幅图。对洋葱活体细胞进行区域扫描数字全息记录和成像重构,获得了洋葱活细胞及其内质网分布的相位图。通过对比静止数字全息记录和区域时空扫描数字全息记录下的重构相位图,验证了区域时空扫描数字全息是对运动的活体生物细胞进行数字全息显微成像的有效方法。进一步采用多幅相移合成处理后,清晰呈现出细胞核以及细胞中内质网,并且相位图的清晰度及其能呈现出的内质网数量也明显增多。实验结果表明,区域时空扫描方法显著提高了活体生物细胞成像的分辨率,而且多幅叠加处理可以有效地改善成像质量,得到更加清晰地相位图。


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