數(shù)字全息顯微成像的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、數(shù)字全息術(shù)是一種新型的全息成像技術(shù),它利用電荷耦合器件CCD代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全息材料記錄全息圖,并用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬光學(xué)的衍射過(guò)程,從而再現(xiàn)原始物場(chǎng)的波前分布,實(shí)現(xiàn)了全息的記錄、存儲(chǔ)、傳輸和再現(xiàn)全過(guò)程的數(shù)字化。數(shù)字全息技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其成為近年來(lái)國(guó)際研究的熱點(diǎn),在細(xì)胞培養(yǎng)觀測(cè)、微電路檢測(cè)、粒度分析、形貌和變形測(cè)量、透明場(chǎng)測(cè)量等方面,有著廣泛的應(yīng)用前景。 本論文通過(guò)理論分析、模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)數(shù)字全息圖的記錄條件、再現(xiàn)算法、數(shù)字全息成

2、像分辨率及提高分辨率的方法、三維重建方法以及全息成像系統(tǒng)的景深和焦深等數(shù)字全息應(yīng)用中的基本問(wèn)題,進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,取得了一些有意義的結(jié)果,主要內(nèi)容如下： 1.提出利用極值空間頻率分析方法,推導(dǎo)得出了同時(shí)滿足采樣條件和再現(xiàn)像分離條件時(shí)各種光路配置情況下所允許的最小記錄距離及參考光偏置要求表達(dá)式,并與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了比較,其中,對(duì)于離軸菲涅耳數(shù)字全息,得到了與現(xiàn)有文獻(xiàn)不同的結(jié)果,但本文給出的結(jié)果是嚴(yán)格的、準(zhǔn)確的,其它情況下

3、的結(jié)果是一樣的。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明：對(duì)于離軸菲涅耳數(shù)字全息,在本文給出的條件下記錄全息圖,可以得到更高分辨率的、分離的再現(xiàn)像。 2.基于無(wú)預(yù)放大數(shù)字全息系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),分析了數(shù)字全息再現(xiàn)像的橫向極限分辨率,指出了現(xiàn)有文獻(xiàn)中存在的不足。提出了一種非常規(guī)的記錄條件,即在理論允許的最小記錄距離和參考點(diǎn)源偏置情況下,通過(guò)進(jìn)一步減小記錄距離及參考點(diǎn)源偏置,僅使目標(biāo)成像區(qū)域的三級(jí)衍射像相分離,從而提高成像分辨率的方法,并給出了相應(yīng)的記錄條

4、件表達(dá)式。利用無(wú)透鏡傅里葉變換數(shù)字全息記錄光路,改變記錄條件前后,再現(xiàn)像的分辨率由3.91μm提高到了2.76μm,因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提出的方法的可行性和有效性。 3.首次詳細(xì)推導(dǎo)了實(shí)際的預(yù)放大數(shù)字全息成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),在此基礎(chǔ)上分析了預(yù)放大數(shù)字全息系統(tǒng)極限分辨率的決定因素,指出了顯微物鏡成像分辨率與CCD成像分辨率之間的匹配要求,所得到的結(jié)論對(duì)于預(yù)放大數(shù)字全息圖的記錄具有指導(dǎo)意義。 4.研究了數(shù)字全息位相重建的

5、方法,詳細(xì)推導(dǎo)了無(wú)透鏡傅里葉變換數(shù)字全息和預(yù)放大數(shù)字全息的位相畸變因子,建立了位相掩模。比較了灰度方差法、灰度熵值法、傅利葉頻譜對(duì)數(shù)和方法、Tenengrad算子方法及拉普拉斯算子和方法等數(shù)字成像過(guò)程中的自動(dòng)聚焦算法,并將它們運(yùn)用到預(yù)放大菲涅耳數(shù)字全息圖的再現(xiàn)過(guò)程中來(lái)判定再現(xiàn)像面的準(zhǔn)確位置,找到了適合于預(yù)放大數(shù)字全息的幾種自動(dòng)聚焦判斷函數(shù)。利用自動(dòng)位相補(bǔ)償方法對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的全息圖進(jìn)行了相應(yīng)的位相重建,指出在強(qiáng)噪聲情況下,需要將自動(dòng)位相補(bǔ)償

6、方法與手動(dòng)調(diào)節(jié)相結(jié)合,才能得到準(zhǔn)確的三維像。 5.系統(tǒng)地研究了數(shù)字全息成像系統(tǒng)的景深和焦深問(wèn)題,利用再現(xiàn)像強(qiáng)度判據(jù)對(duì)常見(jiàn)的幾種數(shù)字全息記錄光路系統(tǒng)的焦深分別作了分析和推導(dǎo),并對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬和部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明：由再現(xiàn)像強(qiáng)度判據(jù)得到的數(shù)字全息成像系統(tǒng)的焦深與理論分析基本符合。然后根據(jù)理想成像四分之一波長(zhǎng)的波像差限制,從離焦再現(xiàn)位相誤差角度對(duì)菲涅耳數(shù)字全息的焦深作了進(jìn)一步分析,結(jié)果與用再現(xiàn)像強(qiáng)度判據(jù)得到的焦深相差