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基于反射式点衍射的相移数字全息显微技术

白鸿一  
【摘要】:作为一种结构较为简单的共路数字全息显微技术,点衍射数字全息显微技术由于具有全场定量、非接触、无需标记、尤其抗干扰能力强等特点,已成为三维显微成像领域的重要测试分析手段。但传统的点衍射数字全息显微技术存在小孔制配困难,相移引入操作困难等问题。而近年兴起的基于反射式点衍射的数字全息显微技术(RPD-DHM),采用改进的迈克逊结构将物光和参考光分离,可有效地解决上述问题。但是简化系统复杂度、兼顾系统测量分辨力和速度等仍是该技术研究领域的热点问题,具有重要的科学意义和应用价值。本课题“基于反射式点衍射的相移数字全息显微技术”的目的是探讨研究结构简单、限制条件少、测量速度快的RPD-DHM,通过分析偏振分光棱镜(PBS)的偏振调制特性、光栅的相移特性,引入高速时间相移技术、同步相移技术以及载波相移技术实现三维稳定定量测量,同时兼顾系统测量效率、相机带宽利用率及视场利用率等,从而为高分辨力、高效和高稳定性的数字全息显微成像技术提供新的理论和方法。该研究在微纳制造、生物医学等三维显微成像测量领域具有广阔的应用前景。本课题的主要研究内容如下:首先,研究了基于反射式点衍射的数字全息技术的一些基本理论。为提高离轴RPD-DHM相位恢复速度,提出了利用无样品干涉图实现的离轴数字全息快速相位恢复算法,通过无样品干涉图记录载频、载频误差和畸变误差信息,在相位恢复过程中利用相除操作有效地消除相位倾斜及畸变的同时,避免了频谱搬移、解包裹、相位补偿等额外操作,进而实现了相位再现加速。另外,为提高时间相移RPD-DHM的相移速度,研究了基于可编程反射光栅的点衍射时间相移数字全息技术,利用数字微镜器件(DMD)模拟反射光栅引入高速相移,进而实现了高精度、快速再现。其次,为简化同轴同步相移RPD-DHM的系统复杂度,提出了基于PBS的点衍射同步相移数字全息显微技术。在分析不同偏振态物光和参考光的偏振调制原理基础上,利用45o倾斜的PBS,分离45o线偏振态物光和圆偏振态参考光中水平分量和垂直分量,并在干涉图间引入π/2相移,同时利用改进的二步相移恢复算法,实现同轴二同步相移测量,进而结合载波相移干涉理论基础,利用基于无样品干涉图的轻微离轴载波相移相位恢复算法,实现轻微离轴载波相移测量,在兼顾相机带宽利用率和采集速度的同时,避免了物光和参考光之间的光强约束。再次,为兼顾相机视场利用率和测量速度并避免同轴同步相移的实验条件约束,在对比分析时间相移与同步相移特点基础上,提出了一种基于反射光栅的双曝光点衍射相移数字全息显微技术,利用PBS分光调制,通过第一次曝光采集两幅相移干涉图,再利用光栅移动在系统中引入π相移,通过第二次曝光采集另两幅相移干涉图,进而利用四步相移法恢复待测相位,从而为快速、高分辨力、低复杂度的数字全息显微技术提供有效手段。此外,为进一步简化同轴同步相移RPD-DHM的系统复杂度,提出了基于反射光栅的点衍射同步相移数字全息显微技术,基于光栅衍射不同级次间相移特性分析,利用反射光栅的0和±1级衍射光,通过一次曝光采集获得三幅相移干涉图,并利用归一化算法进行相位恢复,在保证测量速度和分辨力的同时,无需任何其他分光元件、偏振元件和相移元件,从而大大简化系统复杂度。最后,为提高轻微离轴载波相移数字全息技术的相位恢复速度,在载波相移频谱理论分析基础上,通过裁剪频域冗余量,提出了基于频谱裁剪的快速相位恢复算法;在此基础上,通过在空域对两幅差值干涉图相移后求和以降低傅里叶变换次数,提出了基于空域相移的快速相位恢复算法;通过将两幅差值干涉图作为实部和虚部合成干涉图以提高频谱利用率,提出了基于复域编码的快速相位恢复算法。实验表明,当干涉图大小不大于768×768像素时,三种算法均可实现优于30帧/秒的再现速度,从而有效提高测量速度。


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