数字全息高分辨率显微成像及其应用研究

摘要

近年来，随着计算机的运算速度及容量的大幅提高和高分辨率光电成像器件的出现，数字全息已逐渐在缺陷检测，形貌测量，三维显微等领域得到应用。相对与传统光学显微，数字全息显微技术记录物体振幅和相位的全部信息，可以精确地分析物体的三维分布和相位信息，是一种比较理想的对微小物体进行形貌和相位分布测量的方法。 针对目前影响数字全息显微技术发展的关键问题，本论文采用理论分析和实验研究相结合的办法，对相移数字全息显微技术进行了比较系统深入的研究，主要包括：研究了数字全息显微技术中各相关参数与最佳记录光路的关系，提出了去除再现光场零级像和共轭像的简化相移技术；利用最佳设计光路和简化相移技术对光纤连接器端面的面形和和生物切片相位显示进行了研究，取得了较好的实验结果。本论文包含六章，具体内容为： 第一章绪论部分综述了数字全息及其显微术的基本特点和国内外研究现状，介绍了数字全息显微术的主要问题，给出了本论文的主要研究工作。 第二章介绍了数字全息记录和再现的基本原理，着重讨论了数字全息再现的两种算法、相位提取原理和相位去包裹理论。 第三章是本论文的重点。首先从信息论的角度研究了数字全息信息量与记录光路的关系，证明了同轴傅里叶变换全息是实现全息信息量最大记录的最佳光路。同时提出了一种新的简化相移数字全息显微技术，该技术只需进行一次相移，拍摄两次全息图和一次物光强度分布图就可以有效的消除数字再现的零级项和共轭像。将新的相移技术与同轴无透镜傅里叶变换全息相结合，简化了相移步骤，实现了数字全息再现实像最高像素输出，从而提高了数字全息再现像分辨率。进一步通过结合数字图像处理技术，对所得到的再现像进行滤波处理，有效的降低了散斑噪声对再现像的影响，从而使得再现像的质量进一步提高。 第四、五章是数字全息显微的应用研究。第四章是将第三章得到的最佳数字全息显微记录光路用于光纤端面的检测，并根据光纤端面测量时遇到的具体问题，对测量光路进行了精心设计，实现了对光纤连接器端面同心度，纤芯和包层的椭圆度等参数的检测，同时可以检测出端面的三维形貌。第五章将最佳数字全息显微记录光路应用于生物切片相位分析，实现了生物细胞相位的三维显示。 第六章是对全论文的总结及进一步需要解决的问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1数字全息术的发展及基本特点

1.2数字全息显微术国内外研究现状

1.3数字全息显微术主要问题

1.4本论文主要研究工作

第二章数字全息的基本原理

2.1数字全息的记录

2.2数字全息的再现

2.2.1菲涅耳衍射积分再现算法

2.2.2卷积再现算法

2.2.3相位提取原理和相位去包裹原理

2.3小结

第三章数字全息信息记录最大化及简化相移技术

3.1数字全息信息量与记录光路关系

3.2相移数字全息基本原理与算法

3.2.1相移数字全息基本原理

3.2.2相移技术去除数字全息再现像中零级像和共轭像

3.3相移技术简化

3.4实验结果与分析

3.5再现像像质的进一步改善

3.6小结

第四章基于数字全息显微的光纤连接器端面测量

4.1光纤连接器简介

4.2光纤连接器端面测量光路设计

4.2.1二维端面测量

4.2.2三维形貌测量

4.3小结

第五章生物切片数字全息显微实现

5.1光路设计

5.1.1离轴记录光路

5.1.2同轴无透镜傅里叶变换全息

5.2实验结果

5.3小结

第六章总结

6.1本论文总结

6.2待解决的问题

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致 谢