基于希尔伯特黄的数字全息显微技术研究

摘要

根据谱域中零频分量、实像和共轭像分离情况的不同，数字全息技术分为同轴、离轴和轻微离轴技术，其中离轴数字全息因其可一次曝光采集成像在实时三维定量测量领域受到了广泛青睐。但由于受到零频分量的干扰，传统的傅立叶变换方法恢复出的离轴相位图像分辨率并不高，精度受限;通过相移方法恢复出的相位图像分辨率精度较高，但是需要采集多幅图像，以时间分辨率或成像视场为代价;小波变换等图像处理技术虽然能提高相位恢复质量，但需进行小波基等的选择，缺乏自适应性。而这些问题的存在使得数字全息无法兼顾成像的质量和速度。因此，如何在离轴数字全息技术中实现高分辨率、自适应三维成像测量具有重要的研究价值。 本文针对基于离轴结构的白光衍射相位显微系统重建相位过程中不能同时保证恢复相位精度、计算效率和自适应性的问题，引入希尔伯特黄技术，有效地抑制零级及噪声干扰，基于一幅离轴全息图实现相位高分辨率、自适应重建，进而完成组织等折射率测量。具体研究内容如下: 首先，根据离轴数字全息技术相位恢复的基本原理，由其频谱特点引入二维经验模态分解，提出基于快速二维经验模态分解的自适应相位重构技术，实现了零频分量的抑制，并通过实验和仿真验证了该方法的优越性，单次曝光即可接近相移方法的重构精度。 其次，针对二维经验模态分解过程中存在的耗时性高的问题，以数字全息图像特点为基准，对快速方法进一步做出了改进，结合希尔伯特螺旋变换，提出了基于改进希尔伯特黄的自适应相位重构技术，一方面解决了耗时性高的问题，另一方面也提升了重建像的质量。 最后，通过实验和仿真验证了本文提出算法的可行性、快速自适应性和普适性。在定量相位成像的基础上，将改进希尔伯特黄算法获取的相位信息和空间折射率分布结合起来，在未知样本厚度的前提下实现了基于相位的折射率测量，为未来提取医学标本光学特征信息、获取细胞组织病变信息提供了新的思路。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1同轴数字全息研究现状

1．2．2离轴数字全息研究现状

1．2．3轻微离轴数字全息研究现状

1．3希尔伯特-黄算法研究现状

1．4课题来源及主要研究内容

第2章离轴数字全息技术的基本理论

2．1离轴数字全息技术

2．1．1离轴数字全息技术原理

2．1．2离轴数字全息技术频谱分析

2．2离轴数字全息相位恢复算法

2．2．1傅立叶变换法

2．2．2希尔伯特变换法

2．2．3相移干涉法

2．3相位解包裹原理

2．3．1相位解包裹的过程

2．3．2解包裹相位的数学模型

2．4本章小结

第3章基于快速二维经验模态分解的离轴相位重建技术

3．1希尔伯特黄的基本原理

3．1．1经验模态分解

3．1．2希尔伯特谱分析

3．2二维经验模态分解

3．2．1基本原理

3．2．2经验模态分解中的关键问题

3．3快速二维经验模态分解

3．3．1极值谱的获取

3．3．2形态学方法绘制包络面

3．4实验结果与验证分析

3．4．1仿真验证

3．4．2实验验证

3．5本章小结

第4章基于改进希尔伯特黄的快速离轴相位重建

4．1改进快速二维经验模态分解

4．1．1极值获取

4．1．2改进算法的性能分析

4．2希尔伯特螺旋变换

4．2．1螺旋相位函数

4．2．2希尔伯特螺旋条纹质量增强

4．3实验结果与验证分析

4．3．1仿真验证

4．3．2实验验证

4．4本章小结

第5章组织折射率测量技术研究

5．1基本原理

5．2实验结果

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢