无透镜数字全息成像观测实验系统的研制

摘要

数字全息技术是当今科研领域研究的一个热门方向。无透镜数字全息是对传统的数字全息成像的一个改进，它在简化光路的同时保证了全息图的效果。特别是在细胞观测、微流控等领域具有很高的实用价值。当前对无透镜数字全息成像的研究较少，少数的无透镜数字全息成像实验研究虽然能得到较好的成像效果，但对与成像效果至关重要的条件（如光源颜色、波长、光源到光电传感器距离等）缺乏规律性的总结，给应用带来了不便。此外，市面上也还没有将数字全息重建与图像处理相结合的软件，可以实现如全息图的重建、再现像的特征提取、测量、分割等对于细胞观测比较重要的功能。现有方法对图像的处理往往通过Matlab来进行，效率低、操作步骤不够直观，且难以实现商业化。
　　基于此，本文搭建了无透镜数字全息成像的硬件装置，利用VisualC++开发了相应的图像处理软件，最终形成一个完整的无透镜数字全息观测实验系统，并对无透镜数字全息成像的成像条件进行了探索。
　　本文完成的工作内容包括以下三个方面：
　　①对数字全息重建算法进行了深入研究，并选择卷积重建算法作为全息图的重建算法，在验证了该算法的准确性之后，采用VisualC++开发了一套无透镜数字全息采集与处理系统，实现了数字全息图的采集、重建和图像的滤波、变换分割、形态学处理等功能。同时本系统可移值、可扩展，并且操作简便、界面美观。
　　②设计并搭建了实验装置平台，通过步机电机和传感器与无透镜数字全息采集与处理软件结合，实现软件与硬件相结合来控制实验条件的功能，主要完成了光源到CMOS距离和光源开关的软件控制、成像条件的软件记录等。
　　③基于整个实验装置和软件系统，设计了最佳成像条件探索、乳腺癌细胞和人血红细胞观测这三个不同的实验来进行系统的可行性验证。
　　实验结果表明：波长为465?470nm、亮度为8000?10000nit、角度为20度的粉红光，光源到CMOS距离为5.5?7.5cm范围时，采集到的全息图效果最好。通过无透镜数字全息采集与处理软件，成功采集并重建了乳腺癌细胞和人血红细胞，细胞的位置与轮廓清楚。在此软件上对细胞进行测量和计数结果显示，其大小和细胞的实际大小相近，而计数结果也和显微镜下相差不大，验证了整个系统的可行性及合理性。

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1绪 论

1.1课题背景和意义

1.2无透镜数字全息成像研究现状

1.3 研究意义、目的及内容

2 相关知识与技术简介

2.1全息图再现算法

2.2 图像处理相关知识

2.3 开发平台与工具

3 无透镜数字全息成像系统总体设计

3.1 方案拟定及功能设计

3.2 系统整体设计方案

4 软件系统的设计与实现

4.1 软件系统体系结构

4.2图像采集模块设计与实现

4.3全息重建处理模块设计与实现

4.4图像处理模块设计与实现

4.5 图像测量模块设计与实现

5 硬件系统的设计与实现

5.1 硬件系统的总体设计方案

5.2 核心器件与芯片选择

5.3控制及实现

5.4 下位机程序设计

5.5 上位机程序设计

6 无透镜数字全息成像系统的实验

6.1成像条件实验研究

6.2 癌细胞实验观察

6.3 血细胞实验观察

6.3 实验总结

7 结论与展望

致谢

参考文献