数字全息显微成像的实验研究

论文摘要

普通显微镜一般具有较高的横向分辨率,但是它以牺牲景深作为代价,并且普通显微镜通常无法记录物体的三维信息。全息显微术通过单次曝光就能记录动态物体完整的信息,跟踪一连串现象的演变。同时,全息显微术无接触的记录方式对物体的损害很小,不会破坏物体的原始结构。数字全息显微术把数字全息和全息显微相结合,用CCD代替传统的全息干板来实现全息显微过程。这样不仅使记录与再现过程变得简单、快捷,而且再现时利用计算机技术和数字图像处理技术能有效地改善再现像质量。因此数字全息显微术近来得到了大的发展,在显微领域中拥有广泛的前景,它可以被用于生物细胞观测,微观粒子成像和跟踪、聚合物粒子生长检测,微机电和微电路的检测等多个领域。本文重点讨论了数字全息显微成像的原理,并进行初步的实验系统设计和实验研究。本文首先介绍了在全息图面恢复衍射物光波前的两种基本方法——傅里叶变换频谱滤波方法和四步相移方法,介绍了再现物面物体像的算法,包括菲涅尔衍射方法和卷积算法。然后讨论了数字全息及数字全息显微成像的参量关系,如:数字全息记录的抽样条件,物光参考光之间的夹角应满足的关系,数字全息的分辨率等;增加物镜后实验系统的分辨率主要取决于显微物镜的数值孔径(显微物镜倍数越大,数值孔径也越大),理论上使用数值孔径越大的物镜就能得到越高的分辨率,但需要合理设置CCD记录面的位置与显微物镜的参数及物体大小的关系。最后采用离轴记录方式和傅里叶变换频谱滤波方法,采用分辨率测试板(USAF 1951Resolution Chart)作为物体,对不采用显微放大、采用10X和25X显微物镜等几种情况分别进行了实验,并对实验结果进行了分析说明。本论文的初步理论分析和实验研究,为今后深入开展数字全息显微成像的应用研究打下了一定基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 显微技术简述
• 1.1.1 光学显微镜
• 1.1.2 电子显微镜
• 1.1.3 扫描隧道显微镜
• 1.1.4 扫描探针显微镜
• 1.2 数字全息术的发展及研究现状
• 1.3 数字全息显微术研究现状及发展动态
• 1.4 本论文主要的研究内容
• 第二章 数字全息术基本原理
• 2.1 光波的标量衍射理论
• 2.2 光学全息的基本原理
• 2.2.1 波前记录
• 2.2.2 波前再现
• 2.3 数字全息的波前记录和再现
• 2.3.1 波前记录
• 2.3.2 数字全息的再现
• 2.4 数字全息的实验条件及性能参数分析
• 2.4.1 参考光和物光的夹角选择
• 2.4.2 记录距离选择
• 2.4.3 不同记录光路对记录介质分辨率的要求
• 第三章 数字全息显微成像原理
• 3.1 数字全息显微成像的原理
• 3.2 预放大数字像面全息显微术
• 3.2.1 全息图记录
• 3.2.2 数字再现
• 第四章 数字全息显微成像的实验研究
• 4.1 数字全息显微镜结构设计
• 4.2 实验结果
• 第五章 全文总结及今后的工作
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表