同轴非相干相移数字全息显微成像特性研究

摘要

数字全息术诞生于上世纪60年代，因具有同时获取样品相位和振幅的优点，可应用于振动测量、三维形貌测量和相位检测等领域。但数字全息对光源高度相干性的要求使其应用推广受到局限。近年来，随着实用化、商品化的高速率空间光调制器的推广，基于空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）的非相干数字全息术受到科研工作者的极大关注。它可以在非相干光源照明下实现待测物体的三维空间信息记录且无需任何扫描设备和移动部件，克服了激光数字全息对系统稳定性要求高的弊端，具有结构简单、重建灵活、可与任何成熟的光学系统匹配的优点，有很高的学术研究和实际应用价值。本文在分析非相干数字全息成像原理的基础上，给出了点扩散函数、横向放大率及重建距离等数学表达式，并探讨了影响系统成像分辨率的因素，运用MATLAB软件编程完成仿真模拟，验证了其三维成像特性；通过优化系统结构参数，得到了高质量的重建像；在此基础上，搭建了反射式和透射式全息显微成像记录系统，验证了其三维显微成像特性；进一步研究了SLM像素复用方式对成像质量的影响；最后，利用SLM实现螺旋相位调制，并在计算机上仿真，验证了螺旋相位调制的非相干数字全息系统可实现图像边缘对比增强的特性，分析了不同拓扑荷值对重建像质量的影响。论文主要从以下四方面进行研究：
　　（1）在介绍传统光学全息记录和重建的基础上，论述数字全息的基本原理；介绍和比较常用的全息图数值重建算法，重点对角谱衍射算法进行分析；概述了数字全息的优点及应用；对比同轴与离轴全息的特点；对同轴全息相移技术进行详细地阐述。
　　（2）以非相干数字全息理论为依据，从波动光学角度推导了基于SLM的同轴非相干数字全息记录光路的点扩散函数(Point Spread Function,PSF)，得到系统的横向放大率及全息重建距离的数学表达式，分析影响重建像分辨率的因素。利用计算机对具有不同位置信息的“S”、“L”、“M”字母进行仿真模拟，验证该系统的三维成像特性；对USAF分辨率板进行拍摄，得到了高质量重建像。
　　（3）搭建基于SLM的同轴非相干相移数字全息显微系统，对USAF分辨板进行拍摄，获得了与传统宽场显微镜相同的分辨率；利用透射式全息显微光路对植物细胞成像，验证了其可用于生物细胞观察的特性，并对20μm的针孔进行拍摄，进一步研究了SLM像素复用方式对成像质量的影响；利用反射式全息显微光路对尺寸为300μm500μm单颗粒金刚钻成像，得到了不同焦平面的最佳重建像，验证了其三维显微成像特性。
　　（4）利用SLM实现螺旋相位调制，在计算机上仿真模拟，验证了螺旋相位调制的非相干数字全息系统可实现图像边缘提取的特性，对20μm针孔进行实验，对比了SLM分别加载双透镜相位掩模和双透镜螺旋相位掩模的重建像，分析了不同拓扑荷数对重建像质量的影响。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 非相干数字全息的发展及研究动态

1.3 论文主要内容和结构安排

2 光学及数字全息

2.1 光学全息

2.2 数字全息

2.3 同轴全息与离轴全息

2.4 同轴数字全息中的相移技术

2.4 本章小结

3 基于SLM的同轴非相干相移数字全息

3.1 非相干全息的基本原理

3.2 同轴非相干相移数字全息

3.3 空间光调制器

3.4 系统点扩散函数

3.5 系统成像分辨率

3.6 系统三维成像特性模拟

3.7 分辨率板成像

3.8 本章小结

4 基于SLM的同轴非相干相移数字全息显微

4.1 反射式全息显微成像

4.2 透射式全息显微成像

4.3 本章小结

5 非相干螺旋相位数字全息显微

5.1 基于SLM的螺旋相位调制

5.2 基于螺旋相位调制的非相干全息成像模拟

5.3 螺旋相位非相干数字全息显微针孔成像

5.4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

个人简历

硕士期间发表的学术论文与研究成果

致谢