基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统研究

摘要

医学和生物研究中显微镜是必不可少的仪器，目前已有的显微成像系统观测手段单一，只能观看生物体的细胞切片，并不能观察到物体的立体结构且系统景深都比较小。在观察较厚样本时需要翻动样本，容易破坏样本的结构，且只能获取单幅2D图像，在一些领域，已经不能满足科研及应用需求。本文以微透镜阵列为核心器件，将光场理论及光谱分光系统的色散理论有机结合，设计了一种光场光谱显微成像系统，该系统可通过一次曝光直接获取目标的多角度观测信息(光场信息)以及光谱信息。
　　系统在前置显微物镜的一次像面处安装微透镜阵列。微透镜阵列凭借结构紧凑、多通道同时成像的优势与传统显微物镜相结合构成光场显微镜时可获得物体不同景深及不同视场角信息。每个小透镜对样本不同部分成像，探测器上记录了包含视差的子图像阵列，再经后期重构算法对探测器上记录的数据进行处理可重构出较高分辨率图像。考虑到微小物质成分的鉴别，将光场显微成像系统与光谱分光系统相结合构成光场光谱显微成像系统，有效利用像面的空白处对各子镜所成像进行色散。物体经微透镜阵列成像后再经分光系统时，不同波长的光在像面的空白处按照分光原理以不同角度色散到不同位置，与传统成像光谱仪不同的是，光场显微成像光谱仪探测器上同时记录了物体的光场和光谱五维谱场信息。
　　本文根据光场及光谱色散理论，对五维谱场信息进行了理论推导，并通过Zemax对光场显微镜以及光场光谱显微成像系统的结构进行模拟，并且对其中各环节的匹配关系及误差对成像效果的影响进行了分析。此外，对光场信息的后期重构算法进行了改进，在原算法的基础上与高斯滤波和插值算法相结合，重构得到了较好的成像质量。最后，搭建了实验平台，对理论计算和仿真结果进行了验证。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2微透镜阵列成像国内外现状

1.3本文主要研究内容

第二章 阵列光线理论及光场光谱显微成像系统

2.1 阵列光学元件特性

2.2 基于微透镜阵列的光场显微成像理论及后期重构算法

2.3光场光谱显微成像系统五维模型构建

2.4本章小结

第三章 系统设计仿真及图像重构

3.1 基于微透镜阵列的光场显微系统设计及图像重构

3.2 基于微透镜阵列的光场光谱显微成像系统设计及图像重构

3.3本章小结

第四章 实验数据处理与分析

4.1 光场显微镜系统实验模拟

4.2 光场显微成像光谱仪实验验证

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文

致谢