数字全息衍射层析成像及其实验研究

论文摘要

数字全息衍射层析成像技术将数字全息与衍射层析技术相结合,不仅具有数字全息的全视场、非接触、非标记等优势,还具有衍射层析三维成像的优势。相比传统的计算层析技术,由于其考虑了衍射效应,提高了弱散射微小样品的成像精度。此外,数字全息衍射层析成像在得到三维形貌分布的同时,通过相位测量还可得到样品的三维折射率分布。以上诸多优势,使数字全息衍射层析成像在生物医学测量、光学元件检测等领域具有广泛的应用前景。本文针对数字全息衍射层析成像技术,分析了基于傅里叶衍射投影定理的衍射层析基本原理,提出了基于单次赋值的线性插值算法,通过振镜改变照明方向并结合透镜成像特性,优化设计并搭建了成像系统,利用标准样品验证了插值算法的有效性,并对激光烧蚀的光学样品和人体乳腺癌细胞进行衍射层析成像。本论文的主要内容如下:阐述了数字全息衍射层析成像的基本原理。首先介绍了数字全息成像的记录和再现过程,并分析了典型的三种数值再现算法。接着介绍了基于傅里叶衍射投影定理的衍射层析基本原理,实现对弱散射物体内部结构的测量。同时介绍了旋转样品式和多角度照明式两种不同的衍射层析记录方式。分析并优化了数字全息衍射层析中的再现算法。针对最近邻插值算法多次赋值会降低频谱信息准确性这一问题,提出了基于单次赋值的线性插值算法,该插值算法可确保每个角度下获得频谱信息的单次赋值,得到较为准确的物体函数的频谱信息,有利于提高衍射层析再现精度。在此基础上,采用正约束迭代算法增加频谱信息,弥补在多角度照明形式中频谱存在的“锥形缺失”,通过两种算法的结合提高样品的再现质量。最后,使用直径50μm的二氧化硅微球（n=1.4607）作为标准样品验证算法的有效性,采用基于单次赋值的线性插值算法处理后,结果显示微球折射率的平均值为1.4758,相对误差为1.034%,结合使用基于单次赋值的线性插值算法与正约束迭代算法后,微球折射率的平均值为1.4661,相对误差为0.3697%。与传统最近邻插值算法相比,测量精度均有较大提升。设计并搭建了基于振镜改变照明角度的数字全息衍射层析实验装置。利用振镜改变照明方向并结合透镜成像特性,实现了大角度照明,并使物体的照明光斑位置保持不变且亮度较为均匀。多角度下记录的全息图的亮度保持一致,有利于提高三维层析成像质量。在此基础上,对激光烧蚀的光学样品有机玻璃（PMMA）进行三维折射率重建,得到不同深度下的折射率分布,在激光烧蚀区域随深度的增大有机玻璃的折射率随之变大。随后,对活体生物样品人乳腺癌细胞T47D和人乳腺癌细胞MDA-MB-231进行了层析成像,特别是动态监测了人乳腺癌细胞MDA-MB-231在120分钟内的形态和折射率变化。数字全息衍射层析为光学元件质量评估、生物样品的形态和折射率检测提供了无损定量的三维成像手段,具有重要的检测实用意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 数字全息衍射层析成像技术研究背景及意义
•   1.2 数字全息衍射层析成像技术的研究现状
•     1.2.1 基于多角度照明的衍射层析成像技术
•     1.2.2 基于旋转样品的衍射层析成像技术
•     1.2.3 衍射层析成像的再现算法研究
•   1.3 数字全息衍射层析成像技术的应用
•   1.4 本论文的研究内容
• 第2章 数字全息衍射层析成像技术的基本原理
•   2.1 引言
•   2.2 数字全息成像技术的基本原理
•     2.2.1 离轴数字全息的记录和再现
•     2.2.2 预放大离轴数字全息的记录和再现
•   2.3 数字全息衍射层析成像技术的基本原理
•     2.3.1 傅里叶衍射投影定理
•     2.3.2 衍射层析的重建
•     2.3.3 基于不同扫描形式的空间分辨率
•   2.4 本章小结
• 第3章 数字全息衍射层析中的多角度照明与再现方法
•   3.1 引言
•   3.2 多角度照明系统的优化设计
•   3.3 再现算法的优化研究
•     3.3.1 基于单次赋值的线性插值算法
•     3.3.2 正约束迭代算法
•   3.4 基于多角度照明的数字全息衍射层析成像系统的搭建
•   3.5 基于微球样品的衍射层析成像的实验验证
•     3.5.1 插值算法的有效性验证
•     3.5.2 迭代算法的有效性验证
•   3.6 本章小结
• 第4章 面向光学元件和生物细胞的数字全息衍射层析成像实验
•   4.1 引言
•   4.2 光学样品衍射层析成像与实验分析
•   4.3 生物样品人乳腺癌细胞T47D的数字全息衍射层析成像
•   4.4 生物样品人乳腺癌细胞MDA-MB-231 的数字全息衍射层析成像
•     4.4.1 活体细胞静态检测与分析
•     4.4.2 活体细胞动态检测与分析
•   4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的学术成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 袁媛媛

导师: 王云新

关键词: 数字全息,衍射层析,折射率,插值算法,三维成像

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 北京工业大学

分类号: O438.1

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000710

总页数: 79

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