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微结构相衬成像的数字全息方法研究

【摘要】:数字全息是在传统光学全息的基础上,伴随着光电器件和计算机的高速发展,在记录光路和再现算法相对成熟的情况下,快速发展起来的。如今,关于数字全息课题的研究非常活跃,其理论和实验研究还在继续发展,尤其是其应用范围得到了广泛地拓宽。数字全息采用光电器件来记录全息图,在计算机中实现全息图的再现过程,使数字全息具有极大的灵活性,除了具有传统光学全息的全视场、非接触、无损伤、能够同时获得物体的振幅和相位信息等特点,还具有再现简单、处理灵活、定量测量、易于存储等优势。 本论文主要研究了微结构相衬成像的数字全息方法,分别在理论和实验上探讨了数字全息记录光路的配置、再现算法的实现、以及针对不同样品的显微成像,得到了一系列理论和实验上的成果,下面将逐条进行说明: 1、研究了数字全息的再现算法,分析了三种常用衍射传播算法的性质,分别是卷积法、角谱法和菲涅耳法,从全息图的再现质量、效率和与实验参数之间的关系进行了详细的分析。研究表明,卷积法和角谱法都存在一个最佳的再现距离,只有在该距离下再现的图像才具有最佳的分辨率和质量,而大于最佳再现距离,则需要对全息图或频谱图进行一定的补偿才能避免图像折叠。菲涅耳法只需要一次傅里叶变换,且在我们的实验条件下,图像质量和分辨率不逊色于卷积法和角谱法,是比较理想的再现算法。对于相位像中存在的畸变,采用两步法进行矫正,并用最小二乘法完成相位解包裹过程。这些理论上的准备对指导实验起到了必不可少关键作用。 2、研究了数字全息的记录光路。首先选用了光路结构和再现算法都非常简捷的无透镜傅里叶变换数字全息光路,对实验条件进行了合理的选择,并分别以美国空军(USAF)分辨率板、微透镜阵列、生物教学样片和活体生物细胞为样品进行了成像研究,并得到了定量的测量结果,虽然分辨率只能达到3.1m,但对于我们要研究的结构是足够的;然后,为了进一步提高系统可实现的横向分辨率,更清楚地观察生物样品的内在结构,我们又采用预放大离轴菲涅耳数字全息光路,分别以USAF分辨率板、生物教学样片和活体生物细胞进行了成像研究,此时的分辨率达到了亚微米的量级,可以比较清晰地看到单个细胞的形貌。这些重要的实验结果,表明数字全息为微结构测量提供了一种全新的测量方法,尤其是对生物细胞形态变化的观察可用于获取细胞动态特性、细胞间的相互作用以及细胞对药物的反应等信息,期望为早期医学诊断和药物设计等提供一定的分析评价依据。 3、研究了数字全息再现中针对相位型物体的自动聚焦方法。针对无透镜傅里叶变换数字全息光路和预放大离轴菲涅耳数字全息光路,分析了其存在的自动聚焦问题,即如何得到聚焦的再现像,这其中涉及到再现距离的精确确定。通过在再现结果上应用判据函数,判据函数极值对应的位置即为聚焦的再现距离。通常,判据函数是应用于再现振幅像上的,对于相位型物体,判据函数的最小值即对应聚焦再现距离;这里,我们提出把判据函数直接应用于相位像上,发现与应用于振幅像得到的再现距离是有差别的,而我们的方法显然更为准确和直接。实验中,我们首先利用标准相位光栅来验证我们的思路,继而用生物细胞的结果为我们思路的正确性提供了进一步的佐证。 4、研究了同轴数字全息中共轭项的消除问题,这里提出了混合相位复原算法来对同轴数字全息再现结果中的共轭项进行消除,使用物体的吸收系数作为限制条件,并结合相位反转法,对形状简单的物体实现了很好的复原效果,消除了共轭项的影响。研究表明,对于简单物体,相位反转法可以提高复原效率,而对于形状比较复杂的物体,相位反转法可以帮助找到物体的支集。对于支集分布已知的物体,应用Fienup算法就可以进一步复原物体的信息。这种把相位反转法和Fienup算法相结合的算法,我们称之为混合的相位复原算法,模拟和实验结果都验证了这种算法的可靠性和准确性,有理由相信会成为一种有效的共轭项消除方法得到广泛的应用。

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