基于数字全息显微的正弦位相光栅数值重构

论文摘要

基于数字全息术以及光学显微技术的数字全息显微术（DHM）,利用数值计算方法进行全息重建,重建得到的相位相衬图像提供了显微物体表面相位分布的定量测量,是一种同时再现显微物体振幅和相位的新方法。它在显微结构测量方面具有高分辨率、非侵入性、非破坏、灵敏度及精度高等特点,使得数字全息术在微结构测量领域中具有很好的应用前景。本文以显微正弦位相光栅为样本,用自编的数字全息再现程序模拟了正弦光栅的相位结构分布。本文的主要研究内容和特点包括以下几个方面:1.基于马赫-曾德干涉光路,设计了离轴数字全息记录显微物体的光路系统,采用透射式记录光路,采集了光栅的全息图,并把全息图存储在计算机中。2.论文工作重点是显微位相光栅相位分布的数值重建研究。论文完成了数字全息记录和再现程序的编写。以显微正弦位相光栅为模拟样本,对样本的全息记录和再现过程进行计算机模拟,制作了位相光栅的离轴全息图。自编程序用菲涅耳近似算法和快速傅里叶变换,对单幅全息图进行了数值重建,计算比较简单。在图像处理方面,我们将频域滤波法应用于程序中,滤掉了零级像和共轭像的频谱,获得了高质量的重建图像。用相位解包裹算法,获得了正弦光栅的真实相位。该程序具有操作过程简便、计算速度快、灵活性强等特点。3.对相位分布图的数值分析表明,编写的程序实现了正弦位相光栅三维结构的完美再现,可直接获得显微正弦光栅的相位信息,该程序可用于微观物体的位相分布测量。4.程序中设定不同的再现距离,比较正弦光栅相位分布情况。再现距离z′=35mm时和原光栅相位图比较,光栅相位最大值都为6.283rad ,且没有发生相位畸变。结果表明,只有再现距离完全等于记录距离时,正弦光栅的相位才能准确再现,才能获得聚焦的再现像。5.通过改变正弦光栅的周期,观察再现效果。数值模拟结果表明,光栅周期越大,像素点越多,再现出来的正弦光栅越平滑,再现像的效果就越好。最后,本论文完成的计算机模拟和数值分析结果为以后数字全息显微测量技术进一步的深入研究提供了有意义的借鉴和帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 数字全息术概况
• 1.2 数字全息术的国内外发展现状
• 1.3 数字全息显微术的发展历程
• 1.3.1 光学显微镜术
• 1.3.2 电子显微技术
• 1.3.3 共焦扫描显微技术
• 1.3.4 扫描探针显微技术
• 1.3.5 显微技术比较
• 1.4 数字全息显微测量技术概况
• 1.4.1 数字全息显微测量技术的应用概况
• 1.4.2 数字全息显微术的国内研究
• 1.5 本论文的研究目的
• 1.6 本论文的主要工作
• 第2章 全息记录与再现的基本理论
• 2.1 光学全息图的记录和再现
• 2.1.1 波前记录
• 2.1.2 波前再现
• 2.2 数字全息图记录和再现的基本原理
• 2.3 数字全息重建算法
• 2.3.1 菲涅耳近似重建算法
• 2.3.2 卷积重建算法
• 2.4 傅里叶变换理论
• 2.4.1 傅里叶变换的定义
• 2.4.2 离散傅里叶变换
• 2.5 数字全息图的记录条件
• 2.6 数字图像处理技术
• 2.6.1 频域滤波法
• 2.6.2 相位解包裹算法
• 第3章 正弦光栅位相分布的数值分析
• 3.1 数字全息显微实验光路的设计
• 3.2 数字全息记录和再现的数值模拟步骤
• 3.3 数值模拟结果
• 3.4 小结
• 第4章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢