数字全息显微成像的理论和实验研究

论文摘要

数字全息术是一种新型的全息成像技术,它利用电荷耦合器件CCD代替传统的全息材料记录全息图,并用计算机数值模拟光学的衍射过程,从而再现原始物场的波前分布,实现了全息的记录、存储、传输和再现全过程的数字化。数字全息技术的独特优势使其成为近年来国际研究的热点,在细胞培养观测、微电路检测、粒度分析、形貌和变形测量、透明场测量等方面,有着广泛的应用前景。本论文通过理论分析、模拟计算和实验验证,对数字全息图的记录条件、再现算法、数字全息成像分辨率及提高分辨率的方法、三维重建方法以及全息成像系统的景深和焦深等数字全息应用中的基本问题,进行了系统的研究,取得了一些有意义的结果,主要内容如下:1.提出利用极值空间频率分析方法,推导得出了同时满足采样条件和再现像分离条件时各种光路配置情况下所允许的最小记录距离及参考光偏置要求表达式,并与现有文献中的相关结果进行了比较,其中,对于离轴菲涅耳数字全息,得到了与现有文献不同的结果,但本文给出的结果是严格的、准确的,其它情况下的结果是一样的。计算机模拟结果表明:对于离轴菲涅耳数字全息,在本文给出的条件下记录全息图,可以得到更高分辨率的、分离的再现像。2.基于无预放大数字全息系统的点扩散函数,分析了数字全息再现像的横向极限分辨率,指出了现有文献中存在的不足。提出了一种非常规的记录条件,即在理论允许的最小记录距离和参考点源偏置情况下,通过进一步减小记录距离及参考点源偏置,仅使目标成像区域的三级衍射像相分离,从而提高成像分辨率的方法,并给出了相应的记录条件表达式。利用无透镜傅里叶变换数字全息记录光路,改变记录条件前后,再现像的分辨率由3.91μm提高到了2.76μm,因此,实验结果证明了所提出的方法的可行性和有效性。3.首次详细推导了实际的预放大数字全息成像系统的点扩散函数,在此基础上分析了预放大数字全息系统极限分辨率的决定因素,指出了显微物镜成像分辨率与CCD成像分辨率之间的匹配要求,所得到的结论对于预放大数字全息图的记录具有指导意义。4.研究了数字全息位相重建的方法,详细推导了无透镜傅里叶变换数字全息和预放大数字全息的位相畸变因子,建立了位相掩模。比较了灰度方差法、灰度熵值法、傅利叶频谱对数和方法、Tenengrad算子方法及拉普拉斯算子和方法等数字成像过程中的自动聚焦算法,并将它们运用到预放大菲涅耳数字全息图的再现过程中来判定再现像面的准确位置,找到了适合于预放大数字全息的几种自动聚焦判断函数。利用自动位相补偿方法对实验得到的全息图进行了相应的位相重建,指出在强噪声情况下,需要将自动位相补偿方法与手动调节相结合,才能得到准确的三维像。5.系统地研究了数字全息成像系统的景深和焦深问题,利用再现像强度判据对常见的几种数字全息记录光路系统的焦深分别作了分析和推导,并对所得到的结果进行了计算机模拟和部分实验验证,结果表明:由再现像强度判据得到的数字全息成像系统的焦深与理论分析基本符合。然后根据理想成像四分之一波长的波像差限制,从离焦再现位相误差角度对菲涅耳数字全息的焦深作了进一步分析,结果与用再现像强度判据得到的焦深相差近三分之一。指出了数字全息成像系统的焦深不仅与记录时的数值孔径及参考光波长有关,还与具体的光路结构及参考光的偏置有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 数字全息术的特点和应用
• 1.2 数字全息术的发展现状
• 1.2.1 国外发展概况
• 1.2.2 国内发展概况
• 1.3 本论文研究目的及主要研究内容
• 第2章 数字全息记录与再现的理论分析
• 2.1 数字全息成像的基本原理
• 2.1.1 全息图的记录和再现
• 2.1.2 数字全息图的记录和再现
• 2.1.3 数字全息形貌测量原理
• 2.2 数字全息图的记录条件
• 2.2.1 菲涅耳数字全息图的记录条件
• 2.2.2 球面参考光数字全息图的记录条件
• 2.3 数字全息重建算法
• 2.3.1 菲涅耳变换法
• 2.3.2 卷积法
• 2.3.3 角谱法
• 2.3.4 小波变换重建法
• 2.3.5 重建算法比较
• 2.4 本章小节
• 第3章 无透镜傅里叶变换全息的记录和再现
• 3.1 无透镜傅里叶变换全息的特点
• 3.2 离轴无透镜傅里叶变换全息图的记录
• 3.3 离轴无透镜傅里叶变换全息图的再现
• 3.3.1 会聚球面光波再现
• 3.3.2 发散球面光波再现
• 3.3.3 准直光波再现
• 3.4 提高再现像分辨率的方法
• 3.4.1 数字全息再现像的分辨率
• 3.4.2 提高再现像分辨率的方法
• 3.5 三维重建方法研究
• 3.5.1 位相畸变矫正
• 3.5.2 自动位相补偿方法
• 3.5.3 手动调节补偿方法
• 3.6 本章小节
• 第4章 预放大数字全息成像研究
• 4.1 预放大数字全息术概述
• 4.2 预放大数字全息成像系统的点扩散函数
• 4.2.1 预放大菲涅耳数字全息系统的点扩散函数
• 4.2.2 预放大无透镜傅里叶变换全息系统的点扩散函数
• 4.3 预放大数字全息系统的成像分辨率
• 4.4 预放大数字全息图的记录条件
• 4.5 预放大数字全息图的数值再现
• 4.5.1 预放大菲涅耳数字全息的强度重建
• 4.5.2 预放大数字全息重建中的位相畸变模型
• 4.5.3 利用自动聚焦函数确定记录距离
• 4.5.4 预放大菲涅耳数字全息的三维重建
• 4.6 本章小结
• 第5章 数字全息成像系统的景深与焦深
• 5.1 引言
• 5.2 菲涅耳数字全息成像系统的焦深
• 5.2.1 同轴菲涅耳数字全息成像系统的焦深
• 5.2.2 离轴菲涅耳数字全息成像系统的焦深
• 5.3 无透镜傅里叶变换数字全息成像系统的焦深
• 5.4 其它判据
• 5.4.1 基于位相差的判据
• 5.4.2 基于光束扩展的判据
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目
• 致谢
• 个人简历