相衬成像中的空间滤波研究

论文摘要

相衬成像基于空间滤波方法将物体的相位信息转化为相应的振幅信息,实现透明相位物体的衬度显示。相衬成像的关键在于改变频谱的相位,它的本质是空间频域滤波。本文从空间频域滤波和光学系统空间频率响应特性的角度去探究相衬成像。相衬成像系统中空间频域滤波所使用的滤波器是相位滤波器,传统的做法是对零级衍射光产生一定的相位补偿,但不改变光波振幅。在此基础上我们提出了两种不同于传统做法的新思路。一是给非零级衍射光一定的相位补偿,等效代替对零级衍射光的相位改变,这种方法能够获得与传统做法相同的衬度图像,并且有利于相位滤波器的工艺制作；二是给零级衍射光一定的相位补偿的同时,给零级和非零级衍射光一定的振幅衰减,经模拟验证,改进后的滤波器可使成像衬度大大提高。衍射受限系统是一个低通滤波器,系统的频率响应特性决定了光学系统的成像能力,系统传递函数能够全面地评定系统的频率响应特性,与星点法和分辨率法相比具有优越性。我们将相衬成像系统视作衍射受限系统,求出了相干照明下相衬成像系统的相干传递函数,它有利于相衬成像系统频率特性分析。照明光源相干性是影响相衬成像质量的另一个重要因素,现有的相衬成像研究中通常将相干光源作为照明光源。然而实际光源均有一定大小和谱线宽度,当这些影响因素大到一定程度时,相干理论不再适用于相衬系统成像的分析,而应使用部分相干理论来解释。我们定性地描述了部分相干光照明下的相衬成像,通过数值模拟初步比较了相干和部分相干光照明下相衬成像的差别。本文最后对文中所述方法进行了实验验证,实验实现了观测样品的相衬成像。我们还结合实验的具体情况进行分析,分析讨论了一种相衬成像方法——遮挡零频法,它与干涉相衬成像法思想相同,但该方法对实验环境要求更低,便于实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 相衬成像发展现状
• 1.2 本文主要工作
• 第二章 相衬成像技术
• 2.1 相衬成像原理
• 2.2 相位补偿量与衬度的关系
• 2.3 相衬技术在现代光学中的应用
• 2.4 本章小结
• 第三章 光学系统的频域分析及空间频域滤波
• 3.1 阿贝成像理论
• 3.2 阿贝-波特实验
• 3.3 空间频域滤波系统及其傅里叶分析
• 3.3.1 典型的空间频域滤波系统
• 3.3.2 空间频域滤波系统的傅里叶分析
• 3.3.3 相衬成像系统的傅里叶分析
• 3.4 空间滤波器的分类及新型空间滤波器的提出
• 3.4.1 空间滤波器的分类
• 3.4.2 复合型空间滤波器的提出
• 3.5 本章小结
• 第四章 相干照明下相衬成像的空间频率特性
• 4.1 衍射受限系统的相干传递函数
• 4.2 相干照明下相衬成像系统的相干传递函数
• 4.3 本章小结
• 第五章 部分相干光照明下的相衬成像
• 5.1 部分相干理论研究
• 5.1.1 自由空间中互相干的传播
• 5.1.2 部分相干光的衍射
• 5.1.3 部分相干场中透镜的傅里叶变换性质
• 5.2 部分相干光照明下的相衬成像
• 5.3 本章小结
• 第六章 实验验证与分析
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 第七章 总结和展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目