基于双波长数字全息显微的动态目标重建技术研究

摘要

数字全息显微测量相比于其他显微测量技术，具有全视场、定量、快速、无损伤、非接触等特点，可广泛应用于形貌测量、生物医学、力场检测、空间粒子场测量等领域。数字全息显微的可测目标场深度与光源波长成正比，基于此，利用两不同波长合成一更大等效波长的双波长数字全息显微技术则可以获得更大的测量深度范围，应用更广。　　本文将双波长数字全息显微和高速摄像技术相结合，提高了全息图采集的时间分辨率，将目标不同时刻相位差控制在波长范围内，避免了解包裹运算，降低了误差，提高了重建效率，实现了在一定视场深度范围内动态物体数字全息图的实时记录。同时引入GPU（Graphics Processing Unit）技术对数字全息图进行多流重建处理，进一步提高了动态物体形貌测量的实时性指标。　　本文主要研究的内容如下：　　(1)介绍数字全息的记录与重建等数字全息显微的基本理论。然后进行数字全息显微放大方式的选择与二次相位误差补偿方法的研究。最后介绍了双波长数字全息显微三维成像的原理，包括相位解包裹、全息图的记录条件等。　　(2)利用Matlab进行了双波长数字全息显微的数值模拟，搭建了离轴数字全息显微记录光路，分别对美国空军分辨率板、透射型物体和反射型物体进行了光学实验。实验结果与标准值具有良好的一致性，验证了双波长数字全息显微术对表面形貌测量的可行性和优势。　　(3)结合高速摄像和GPU技术的特点，搭建了一种新型的双波长动态数字全息显微实验测量系统。在此基础上，对MEMS麦克风的振动变形进行了显微测量，成功获得了MEMS麦克风不同时刻的面形分布。研究结果证明了本文提出的系统和方法可以实现动态目标在一定视场深度范围内的实时观测。　　(4)设计并制造完成透射型数字全息显微镜工程样机一台，同时完成了相应软件的开发，并利用该系统实现了生物细胞的观测。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3本文主要研究内容与组织结构

1.3.1研究内容

1.3.2组织结构

1.4本章小结

第二章 双波长数字全息显微基本理论

2.1数字全息图的记录与重建

2.1.1数字全息图的记录

2.1.2数字全息的重建

2.2数字全息显微放大方式选择及二次相位误差补偿

2.2.1放大方式的选择

2.2.2二次相位畸变误差的补偿

2.3双波长数字全息成像原理

2.3.1数字全息相位解包裹

2.3.2双波长数字全息相位测量原理

2.3.3双波长数字全息成像条件分析

2.4本章小结

第三章 双波长数字全息显微形貌测量

3.1双波长数字全息显微测量的数值模拟

3.1.1对斜面物体的测量

3.1.2对圆锥面物体的测量

3.2微结构表面形貌测量实验研究

3.2.1主要实验装置介绍

3.2.2微小深度物体的形貌测量

3.2.3透射型物体的形貌测量

3.2.4反射型物体的形貌测量

3.3本章小结

第四章 基于双波长数字全息显微的动态目标实时重建

4.1高速摄像机介绍

4.1.1高速摄像机简介

4.1.2FASTCAM Mini AX的特点分析

4.2 GPU技术介绍

4.2.1 GPU体系结构简介

4.2.2Tesla K80的特点分析

4.2.3并行计算

4.2.4 Hyper-Q超工作队列

4.3 MEMS 麦克风振动测量实验

4.3.1 MEMS麦克风结构特点

4.3.2 MEMS麦克风振动实验

4.4本章小结

第五章 透射式数字全息显微镜

5.1硬件设计

5.2软件设计

5.3样机测试

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2创新点

6.3工作展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果