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数字全息显微成像像质优化及系统实现

马利红  
【摘要】:数字全息显微术是一种基于数字全息成像原理发展起来的新型显微技术,是数字全息术和显微技术相结合的产物。它能同时获得再现光波的振幅和相位分布,因而可以精确地分析物体的三维形貌和相位信息,是近年来发展起来的一种重要的显微成像技术,具有广阔的应用前景和应用领域。本文的研究目的是解决数字全息显微成像技术中的关键问题——提高再现像的像质,并实现数字全息显微成像的系统设计,弥补国内在这一领域的技术空白。 论文首先讨论了数字全息显微成像技术的基本原理,包括基本的光路结构、显微全息图的记录原理、记录条件、再现原理、实现相位展开的解包裹算法以及相位补偿方法,这些问题是数字全息显微成像技术的理论基础。 在理论研究的基础上,全面系统地开展了数字全息显微成像像质改善的新方法研究。为了拍摄高质量的显微全息图,详细地分析了数字全息显微系统结构参数对再现像质的影响,主要分析了在数值孔径足够大的理想成像情况下,系统放大倍率和记录距离对再现像质的影响,这对获取高质量的数字全息显微再现像具有重要意义;其次基于对散斑噪声形成机理的研究,提出了通过选用数值孔径足够大的显微物镜并设计合适的放大倍率的方法实现散斑噪声的彻底消除,解决了数字全息显微成像中最难克服的散斑噪声问题;另外还提出了两种消除零级项和共轭像的方法,一种是采用匹配滤波器的方法,可以避免其他频谱影响再现像质,另一种是采用复系数滤波器的方法,可以直接在空域进行滤波操作,减少了计算工作量。 解决了关键问题像质问题后,开展了数字全息显微成像技术的研究,研制开发出反射式和透射式数字全息显微成像系统。分别设计了反射式和透射式系统的光路结构并对系统的结构参数进行了优化配置,尤其在反射式系统中,提出了一种新型的光路结构,可以避免光学元件表面反射相干噪声,并开发了硬件控制和数据处理的软件系统,完成了反射式和透射式数字全息显微成像系统的实验室研制。 利用自行研发的数字全息显微系统,广泛开展了数字全息显微成像的实验技术研究。首先对反射式和透射式系统测量的定量性进行了验证。然后在反射式系统中,实现了光纤连接器端面的定量形貌成像,并得到了光纤连接器端面的球面半径、纤芯高度、顶点偏心度参数。在透射式系统中,实现了活体生物样品包括洋葱表皮细胞、草履虫、红血细胞的定量相位成像,并实现了草履虫的动态相位成像。 在上述研究工作的基础上,进一步开展了大视场高分辨率数字全息显微成像技术的研究,初步解决了数字全息显微系统的小视场问题。提出了基于物体移动的子测量区域相位像拼接技术以解决扩大测量视场的问题。在全息图记录过程中,采用同轴相移像面全息技术记录各个子区域,实现子区域视场最大化;为了实现正确拼接,在物体移动过程中,确保相邻子区域间具有重叠区域;拼接过程中采用相关算法确定重叠区域;并利用相减算法,即将两子区域相位像中的一幅减去两者重叠区域之差的平均值,消除测量过程或解包裹过程中由于起始点不同产生的相位坐标相对不同,利用这两者算法可以将各子区域的再现相位像坐标统一到一个坐标系下,从而实现扩大测量视场。开发了硬件控制和数据处理的软件系统,并实现了实际样品的大视场测量。 最后,对论文的研究内容和研究成果进行了总结,并提出了今后进一步工作需要解决的问题。


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