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生物细胞数字全息显微成像的相位畸变校正

【摘要】:数字全息作为一种新型相干测量与成像技术,其最大的优势在于能够同时独立地获取物体的定量振幅信息和相位信息。当对生物细胞等几乎透明的物体进行定量检测时,相位信息显得尤为重要。然而,要准确地获得物体的相位像,就必须要首先对再现像中的相位畸变进行校正,这就需要知道实验中的各个参数,如记录距离、物参夹角、显微物镜的放大倍率等。同时,相位畸变校正对记录参数的精度要求非常高。但是,实际的测量值通常与理论值有偏差,这就会导致再现像的相位分布发生相位畸变,从而无法准确获得物体的相位信息。因此,近几年相位畸变校正已经成为国内外研究者的关注热点。 本论文主要针对应用于生物细胞的数字全息相位畸变校正进行了深入的探讨,从理论和实验上,对相位畸变的概念、分类、产生原因等基本问题,尤其对相位畸变的校正问题,进行了系统的研究,取得了一些有意义的成果,主要内容如下: 1.研究了数字全息显微相衬成像中相位畸变的概念、分类和产生原因,并针对参考光为平面波的普通离轴菲涅耳数字全息系统和预放大数字全息系统,给出了一次和二次相位畸变的数学表达式。同时,针对参考光为球面波时的无透镜傅里叶变换数字全息系统,深入分析了该数字全息系统的三种再现算法,即分别为单次傅里叶逆变换再现算法、菲涅耳傅里叶再现算法和菲涅耳角谱再现算法,讨论了在不同再现算法下的再现像性质及相应的相位畸变数学表达式。 2.针对无透镜傅里叶变换数字全息系统中的非共面误差,提出了一种自动补偿算法。这种方法只需记录一幅全息图,通过确定记录距离的优化数值解,并结合一次相位线性拟合,就可以成功补偿掉非共面误差。这里,我们提出了基于相位分布的自动对焦算法,即将物体的相位像作为自动对焦的评价对象,然而多数数字全息自动对焦算法是基于振幅分布进行评价的。由于生物样品几乎是透明的,所以基于相位像的自动对焦评价将更为可靠。 3.提出了基于最小二乘曲面拟合法来校正弱相位物体的相位畸变,只要将原始的再现像解包裹相位分布减去拟合得到的畸变相位分布,就可以方便地得到无畸变的相位像。实验研究表面,在应用于生物细胞的无透镜傅里叶变换数字全息系统中,这种相位畸变校正方法简单而有效。然而,在放大倍率较高的预放大数字全息系统中,该方法可能会失效。 4.提出了基于全息图频谱移中心的方法来消除一次相位畸变,这种方法的实现仅需单幅全息图,且无需知道任何实验参数。这里,我们首次提出了基于全息图频谱的幅角分布来进行载频定位的思想。实验研究表明,载频的幅角分布中心总是存在一个极值点。只要将相应的载频以极值点为参考点平移到全息图的频谱中心,就可以消除一次相位畸变。而且,一次相位畸变的消除对于接下来消除二次畸变提供了很大的便利。因为二次畸变只与放大倍率有关,所以只需自动调整单个参数直至二次条纹消失,即可获得准确的物体相位分布。

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