數(shù)字全息顯微成像的理論和實驗研究.pdf

1、數(shù)字全息術是一種新型的全息成像技術,它利用電荷耦合器件CCD代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全息材料記錄全息圖,并用計算機數(shù)值模擬光學的衍射過程,從而再現(xiàn)原始物場的波前分布,實現(xiàn)了全息的記錄、存儲、傳輸和再現(xiàn)全過程的數(shù)字化。數(shù)字全息技術的獨特優(yōu)勢使其成為近年來國際研究的熱點,在細胞培養(yǎng)觀測、微電路檢測、粒度分析、形貌和變形測量、透明場測量等方面,有著廣泛的應用前景。 本論文通過理論分析、模擬計算和實驗驗證,對數(shù)字全息圖的記錄條件、再現(xiàn)算法、數(shù)字全息成

2、像分辨率及提高分辨率的方法、三維重建方法以及全息成像系統(tǒng)的景深和焦深等數(shù)字全息應用中的基本問題,進行了系統(tǒng)的研究,取得了一些有意義的結果,主要內容如下： 1.提出利用極值空間頻率分析方法,推導得出了同時滿足采樣條件和再現(xiàn)像分離條件時各種光路配置情況下所允許的最小記錄距離及參考光偏置要求表達式,并與現(xiàn)有文獻中的相關結果進行了比較,其中,對于離軸菲涅耳數(shù)字全息,得到了與現(xiàn)有文獻不同的結果,但本文給出的結果是嚴格的、準確的,其它情況下

3、的結果是一樣的。計算機模擬結果表明：對于離軸菲涅耳數(shù)字全息,在本文給出的條件下記錄全息圖,可以得到更高分辨率的、分離的再現(xiàn)像。 2.基于無預放大數(shù)字全息系統(tǒng)的點擴散函數(shù),分析了數(shù)字全息再現(xiàn)像的橫向極限分辨率,指出了現(xiàn)有文獻中存在的不足。提出了一種非常規(guī)的記錄條件,即在理論允許的最小記錄距離和參考點源偏置情況下,通過進一步減小記錄距離及參考點源偏置,僅使目標成像區(qū)域的三級衍射像相分離,從而提高成像分辨率的方法,并給出了相應的記錄條

4、件表達式。利用無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息記錄光路,改變記錄條件前后,再現(xiàn)像的分辨率由3.91μm提高到了2.76μm,因此,實驗結果證明了所提出的方法的可行性和有效性。 3.首次詳細推導了實際的預放大數(shù)字全息成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù),在此基礎上分析了預放大數(shù)字全息系統(tǒng)極限分辨率的決定因素,指出了顯微物鏡成像分辨率與CCD成像分辨率之間的匹配要求,所得到的結論對于預放大數(shù)字全息圖的記錄具有指導意義。 4.研究了數(shù)字全息位相重建的

5、方法,詳細推導了無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息和預放大數(shù)字全息的位相畸變因子,建立了位相掩模。比較了灰度方差法、灰度熵值法、傅利葉頻譜對數(shù)和方法、Tenengrad算子方法及拉普拉斯算子和方法等數(shù)字成像過程中的自動聚焦算法,并將它們運用到預放大菲涅耳數(shù)字全息圖的再現(xiàn)過程中來判定再現(xiàn)像面的準確位置,找到了適合于預放大數(shù)字全息的幾種自動聚焦判斷函數(shù)。利用自動位相補償方法對實驗得到的全息圖進行了相應的位相重建,指出在強噪聲情況下,需要將自動位相補償

6、方法與手動調節(jié)相結合,才能得到準確的三維像。 5.系統(tǒng)地研究了數(shù)字全息成像系統(tǒng)的景深和焦深問題,利用再現(xiàn)像強度判據(jù)對常見的幾種數(shù)字全息記錄光路系統(tǒng)的焦深分別作了分析和推導,并對所得到的結果進行了計算機模擬和部分實驗驗證,結果表明：由再現(xiàn)像強度判據(jù)得到的數(shù)字全息成像系統(tǒng)的焦深與理論分析基本符合。然后根據(jù)理想成像四分之一波長的波像差限制,從離焦再現(xiàn)位相誤差角度對菲涅耳數(shù)字全息的焦深作了進一步分析,結果與用再現(xiàn)像強度判據(jù)得到的焦深相差