疊層成像技術(shù)成像機(jī)制的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、疊層成像是近十年來(lái)新興的一種計(jì)算成像技術(shù)。該方法通過(guò)相位恢復(fù)迭代算法，尋找樣本在重疊掃描模式下，滿足多幅遠(yuǎn)場(chǎng)衍射強(qiáng)度圖像約束的唯一復(fù)數(shù)解。該成像技術(shù)的分辨率不受光學(xué)聚焦器件的限制，可突破系統(tǒng)衍射極限，獲得超高分辨率成像。在一些需要從相位分量缺失的強(qiáng)度圖像中恢復(fù)重建光波衍射信息的高分辨率和三維成像領(lǐng)域，疊層成像具有天然的優(yōu)勢(shì)和潛在的應(yīng)用前景。本文圍繞疊層成像的成像機(jī)理，以及它在相干衍射成像、一般光學(xué)成像及計(jì)算全息中的應(yīng)用，展開(kāi)了深入的研究

2、，并對(duì)疊層成像的缺陷和不足提出了相應(yīng)的解決方法。
　　本文的主要內(nèi)容如下:
　　1)簡(jiǎn)要描述疊層成像的理論背景。首先，基于光波的標(biāo)量衍射理論和傅里葉光學(xué)理論，對(duì)光波衍射現(xiàn)象，透鏡的傅里葉變換作用及成像原理進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并分析衍射受限光學(xué)系統(tǒng)成像分辨率存在極限的原因。其次，介紹通過(guò)干涉獲取光波復(fù)振幅的全息術(shù)，并用計(jì)算生成全息圖的光電再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證衍射數(shù)值計(jì)算和全息成像理論的正確性。最后，介紹光相位非干涉獲取的概念和相位恢復(fù)算法的

3、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——信號(hào)復(fù)原的反卷積濾波實(shí)現(xiàn)和迭代搜索實(shí)現(xiàn)理論，以及疊層成像所采用的迭代反卷積濾波器——增量維納濾波。
　　2)研究相干衍射疊層成像技術(shù)。從相干衍射成像的基本原理出發(fā)，詳細(xì)分析傳統(tǒng)相干衍射成像對(duì)樣本孤立性要求和解模糊的產(chǎn)生機(jī)理。之后，仿真模擬相干衍射疊層成像使用光探針樣本進(jìn)行重疊掃描，采集記錄多幅衍射強(qiáng)度圖樣，再通過(guò)迭代傅里葉變換和增量維納濾波實(shí)現(xiàn)樣本恢復(fù)重建的過(guò)程。定性解釋疊層成像通過(guò)重疊掃描消除傳統(tǒng)相干衍射成像的孤立樣

4、本限制和解模糊的原理，并對(duì)其中一些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)重建成像的影響做出數(shù)值分析。最后，對(duì)相干衍射疊層成像檢測(cè)運(yùn)動(dòng)樣本的成像過(guò)程進(jìn)行建模仿真，研究表明，由于相干衍射疊層成像圖像記錄時(shí)間長(zhǎng)，采集效率低下，運(yùn)動(dòng)使重建像出現(xiàn)扭曲、模糊和噪聲，像質(zhì)與曝光積累時(shí)間內(nèi)的樣本運(yùn)動(dòng)幅度成反比。提出并驗(yàn)證了加入隨機(jī)相位調(diào)制板對(duì)光探針調(diào)制，可以改善由樣本運(yùn)動(dòng)引起的重建像降質(zhì)，提高相干衍射疊層成像應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力，一定程度上解決其只能應(yīng)對(duì)靜止或低速目標(biāo)的問(wèn)題。

5、>　　3)研究傅里葉疊層成像技術(shù)。首先，分析傅里葉疊層成像采用傾斜入射平面波照射樣本，使樣本頻譜與系統(tǒng)相干傳遞函數(shù)之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)頻譜域掃描，并獲得不同區(qū)域頻譜對(duì)應(yīng)樣本強(qiáng)度像，再通過(guò)相位恢復(fù)算法，從這些低分辨率強(qiáng)度圖像中重建完整樣本頻譜，進(jìn)而獲得高分辨率樣本圖像的原理。其次，通過(guò)對(duì)比傅里葉疊層成像和相干衍射疊層成像的異同，建立兩者間的聯(lián)系，證明傅里葉疊層成像同樣必須遵循重疊掃描約束條件。然后借助合成孔徑成像理論，定量分析傅里葉

6、疊層成像對(duì)光學(xué)顯微鏡數(shù)值孔徑和分辨率的提高作用。最后，為提高采集和處理的效率及系統(tǒng)的魯棒性，提出相干多模態(tài)傅里葉疊層成像。利用光電調(diào)制器件調(diào)制相干光束提供相干多模態(tài)照明光照射樣本，使所采集強(qiáng)度圖像來(lái)自多個(gè)頻譜片段的混疊。之后采用混疊頻譜分離的相位恢復(fù)算法，從這些圖像中計(jì)算得到無(wú)混疊的樣本頻譜和高分辨率圖像。數(shù)值仿真和光電實(shí)驗(yàn)證明了，該方法可以顯著地減少所需采集圖像數(shù)量，放松對(duì)疊層成像信息復(fù)用對(duì)于共存多模態(tài)的非相干性要求。
　　4)

7、研究疊層成像在集成-全息技術(shù)中的應(yīng)用。首先根據(jù)數(shù)字全息原理，計(jì)算生成三維場(chǎng)景的傅里葉全息圖并進(jìn)行數(shù)值重建與分析。其次，介紹非相干光照明下的集成成像技術(shù)，針對(duì)集成成像與全息相結(jié)合而產(chǎn)生的集成-全息技術(shù)，仿真實(shí)現(xiàn)集成成像單元圖像獲取、多視點(diǎn)投影圖像生成、全息圖計(jì)算生成和重建的全過(guò)程。研究表明現(xiàn)有集成-全息技術(shù)對(duì)光波場(chǎng)采樣稀疏、得到全息圖尺寸小、再現(xiàn)像分辨率低且出現(xiàn)視角串?dāng)_。然后，推導(dǎo)了多視點(diǎn)投影圖像和傅里葉全息圖之間的相關(guān)性，說(shuō)明投影圖像正