基于空间光调制器的非相干光照明数字全息显微系统研究

摘要

基于空间光调制器的非相干光照明数字全息术无需任何移动部件和扫描装置就可以记录样品的三维空间信息，且不需要相干光源的照明，摆脱了传统光学全息术对实验条件的严苛要求，系统结构简单，再现方式灵活，具备极高的研究价值和实际应用价值。本文在研究这种数字全息成像系统的基础上，着重研究其在显微成像领域的应用。首先从理论上分析了基于空间光调制器的非相干光照明数字全息系统的点扩散函数、记录和再现原理以及影响系统分辨率的因素，然后从模拟和实验上优化系统的结构和实验参数，得到了成像质量较高的实验结果。在基本成像系统的基础上构建非相干光照明的数字全息显微系统，验证了其在显微领域的可行性，并对生物样品进行全息记录和数字再现。最后提出了一种螺旋相位调制模式，通过在空间光调制器上加载螺旋相位掩模，获得了样品显微成像的边缘增强效果，论文主要包括以下四个方面：
　　（1）研究非相干光照明数字全息系统的基本成像原理，以标量衍射理论中的菲涅尔衍射积分公式为基础，推导非相干光照明数字全息记录系统的点扩散函数，获得了系统横向放大率，再现距离的具体表达式，定性分析了影响系统成像分辨率的各个因素。然后介绍了全息图再现过程中的角谱法和三步相移法，并讨论了该算法的使用条件和适用范围。
　　（2）从模拟和实验上研究基于空间光调制器的非相干光照明数字全息系统的基本成像特性。模拟了处在四个不同物平面上的彩色物体的全息记录与再现，从系统横向放大率、分辨率、三维成像以及彩色成像等四个方面进行实验，验证了系统快速、无扫描获取多维物光场信息的能力。
　　（3）搭建了非相干光照明数字全息显微系统，通过实验验证了该系统实现显微成像的可行性。通过优化系统的结构参数，提高了显微系统的分辨率和信噪比。对真实三维生物样品进行透射式显微光路实验，完成了样品三维空间信息的记录与再现。
　　（4）对空间光调制器引入了一种螺旋相位加载模式，介绍了该模式与双透镜模式的异同点。实现了螺旋加载模式对全息重建像的边缘增强，得出了拓扑荷数为1时为最佳螺旋相位加载模式的结论。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及发展动态分析

1.3 本文研究的主要内容和结构安排

2 非相干光照明数字全息术基本原理

2.1 全息图的记录与系统的点扩散函数

2.2 全息图的数字再现

2.3 系统分辨率

2.4 本章小结

3 基于空间光调制器的非相干光照明数字全息系统

3.1 三维真彩色物体成像模拟

3.2 空间光调制器的调制特性和双透镜掩模实现方法

3.3 系统基本成像实验

3.4 真实空间三维物体成像实验

3.5 彩色物体成像实验

3.6 本章小结

4 基于空间光调制器的非相干光照明数字全息显微系统

4.1 显微系统分辨率测试实验

4.2 生物样品成像实验

4.3 本章小结

5 螺旋相位数字全息显微

5.1 螺旋相位模式

5.2 螺旋相位数字全息显微实验

5.3 螺旋相位中拓扑荷数的优化

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 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

致谢