无透镜显微成像的相位恢复方法研究

摘要

无透镜显微成像是一种在不借助光学成像透镜情况下直接将微观物体投影到图像传感器进行成像的技术，具有大视场、结构简单和成本低等优点，但是成像分辨率低等缺点同时又制约了该技术的发展。结合相位恢复方法可以有效地提升无透镜显微成像的分辨率，恢复得到的完整光场信息可以用于相位物体的三维形貌显示，从而大大拓展了无透镜显微成像技术的应用场景。本文主要在搭建的无透镜显微成像系统的基础上，通过解决显微图像相位恢复中的关键技术问题，最终实现了无透镜显微图像2.19μm的分辨率，其中研究的关键问题如下：　　(1)、综合对比无透镜图像的相位恢复方法，针对轴向多振幅相位恢复方法的理论模型，对算法收敛性进行了数学证明，从标量衍射理论出发，确定了菲涅尔传递函数和角谱角谱传递函数。　　(2)、搭建了无透镜显微成像平台，采集了轴向多幅无透镜图像，针对成像系统距离的标定以及图像的配准，通过与Brenner和Tenengrad清晰度评价函数对比，确定Laplacian评价函数作为CMOS记录面到物面之间距离的定标参数；并使用相位相关法对存在位置偏差的多幅图像进行配准；通过多幅无透镜图像的相位恢复确定了物光场重构需要轴向多幅图像的数量不少于8幅；使用四向剪切最小二乘法对恢复得到的包裹相位进行解包裹；通过GPU和多进程编程的方法对相位恢复算法进行加速，最高加速比分别为2.70和5.25。　　(3)、在无透镜显微成像的应用方面，成功恢复出玻璃表面凹陷划痕和液晶玻璃表面突起透明杂质的相位，并将恢复的相位用于三维形貌的显示，进而依据实验结果分析讨论了迭代相位恢复方法的局限性问题。最后编写集成软件包，将相位恢复算法处理过程进行了集成，简化了实验步骤和流程。

目录

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第一章 绪论

1.1 本课题的研究意义

1.2基于无透镜图像的迭代相位恢复技术研究现状

1.3 本文的研究内容

第二章 无透镜相位恢复技术

2.1 标量衍射理论

2.1.1 基尔霍夫衍射传递函数

2.1.2 瑞利-索末菲衍射传递函数

2.1.3 角谱衍射传递函数

2.1.4 菲涅尔衍射传递函数

2.1.5 几种衍射方法的对比

2.2 迭代相位恢复算法

2.2.1 Gerchberg-Saxton算法

2.2.2 SBMIR算法

2.2.3 APR算法

2.3 光强传播方程法

2.4 本章小结

第三章 多幅无透镜图像重构技术的实验验证及关键参数

3.1实验装置搭建

3.2 相位重构的主要参数分析

3.2.1 记录距离

3.2.2 图像配准

3.2.3 迭代终止条件

3.2.4 初始光场选取

3.2.5 测量次数

3.2.6 相位解包裹

3.2.7 算法加速

3.3 本章小结

第四章 无透镜相位重构技术的应用

4.1载玻片表面划痕的多振幅相位重建

4.2对液晶玻璃表面附着物的多振幅相位重建

4.3 无透镜相位重构技术集成软件包开发

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

在校期间发表论文及科研成果清单

致谢

项目来源