用于生物细胞三维面型重构的干涉型定量相位显微成像技术实验研究

论文摘要

光学显微技术由于具有非接触、无辐射、可实时观测等特点,已经成为了生物医学与生命科学领域内最常见和最重要的分析方法与测试工具。在对透明的生物细胞进行显微成像时,相位显微成像技术,特别是定量相位显微成像技术,表现出了十分巨大的优势,已成为了当前生物细胞成像研究的热点与发展方向之一。该技术克服了在荧光显微镜中需要使用标记染料而可能对细胞造成伤害的问题,更进一步的,它不仅能够实现对透明生物细胞或组织的折射率、厚度等信息的定量化测量,而且可以为我们提供生物细胞的形态、结构或动力学行为等信息。这项技术为我们在微观领域的研究提供了一种十分有效的手段,具有十分重要的意义。大多数的定量相位显微成像技术基于光的干涉现象。这种技术主要包括了干涉图样的采集、相位信息的重建以及后续的相位解包裹等几个过程,其中干涉图样的采集是定量相位成像技术的基础,获得高质量的干涉图样是后续的相位重建成功的关键。据此,我们的工作主要集中在干涉相位测量系统的设计与实验实现方面,以期获得高质量的干涉图样,从而实现生物细胞的定量相位显微成像。本论文的研究工作主要有以下几个方面:1.实现了基于单一光学元件的干涉相位显微成像,获取了生物细胞(草履虫细胞)的相位成像。我们分别使用了单一的楔形玻璃板和单一的分光棱镜,实现了两种干涉相位显微成像方法。对于仅仅使用单一楔形玻璃板的方法,其基本思路是调节样品使其只接触照明光束的一半,然后利用一块楔形玻璃板将这一部分携带了样品信息的光束偏折向另一部分光束,使得这两部分光束相遇叠加在一起而形成干涉。而对于仅仅使用单一分光棱镜的方法,我们将分光棱镜倾斜的放置,使得入射光束仅仅入射到分光棱镜中央半反射层的一侧的位置。仔细的调整控制分光棱镜,使分光棱镜的中央半反射层和入射光束的光轴之间形成一个合适的夹角,这样,由分光棱镜生成的两束光束将相遇重叠在一起而形成干涉。由于分光棱镜产生的光束的像彼此之间相反,这样我们调节样品到一个合适位置时产生了双通道干涉。基于单一光学元件的方法非常简单易行,而且可以有效地控制成本,非常具有实用性。2.实现了三种具有双干涉通道的干涉相位显微成像方法,并且都成功的获取了生物细胞(草履虫细胞)的相位成像。在这类方法中,首先使用一个被倾斜放置的常规分光棱镜来产生两束彼此平行的平行平面波。以此为基础,然后分别使用了楔形玻璃板、菲涅耳双棱镜、菲涅耳双面镜来形成干涉。对于第一种方法,利用一块非常普通的楔形玻璃板仅仅将其中的一束光束偏折向另一束光束使它们重叠在一起而形成干涉;对于第二种方法,使用一块菲涅耳双棱镜代替楔形玻璃板,调节菲涅耳双棱镜的屋脊使其和分光棱镜的中央半反射层重合,这样分光棱镜产生的两束光束分别射入菲涅耳双棱镜的不同的一侧,这两束光束分别被偏折朝向彼此,然后相遇叠加在一起而形成干涉;而对于第三种方法,使用一种普通的菲涅耳双面镜代替上面的两种器件,将菲涅耳双面镜放置在倾斜的分光棱镜的输出端,使得分光棱镜产生的两束平行光束分别被菲涅耳双面镜的两面镜子反射,然后相遇而形成干涉。3.利用两个直角棱镜替换普通迈克尔逊干涉仪的两个平面镜,提出了一种改进的迈克尔逊干涉仪。基于这种改进的迈克尔逊干涉仪,分别通过旋转或者平移直角棱镜,实现了两种迈克尔逊型横向剪切干涉相位显微成像方法,获取了生物细胞(草履虫细胞)的相位成像。对于旋转直角棱镜的方法,我们以直角棱镜的屋脊为旋转轴,通过在水平面内旋转直角棱镜来实现横向剪切干涉;而对于平移直角棱镜的方法,沿着垂直于入射光束的光轴的方向,我们在水平面内平移直角棱镜来实现横向剪切干涉。4.我们的方法都是以传统倒置型显微镜配置为基础的,这使得我们的方法可以很方便的集成到现成的光学显微设备上,极大地扩展了我们提出的方法的应用范围。此外,我们提出的干涉器件操作简单、价格便宜、小型化、便携式,具有非常好的实用性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   §1.1 引言
•   §1.2 光学显微成像技术
•   §1.3 定量相位显微成像技术
•     1.3.1 离轴（载频）干涉技术
•     1.3.2 同轴（相移）干涉技术
•   §1.4 本论文的主要研究内容及安排
•   §1.5 本章小结
•   参考文献
• 第二章 干涉型定量相位显微成像技术理论基础
•   §2.1 引言
•   §2.2 两个单色光波的干涉
•   §2.3 相位与样品三维信息的关系
•   §2.4 相位重建基本原理
•     2.4.1 相移法相位重建
•     2.4.2 希尔伯特变换法相位重建
•     2.4.3 傅里叶变换法相位重建
•   §2.5 相位解包裹方法
•   §2.6 本章小结
•   参考文献
• 第三章 单一光学元件干涉相位显微镜
•   §3.1 引言
•   §3.2 显微镜基本配置
•     3.2.1 光源
•     3.2.2 显微物镜
•     3.2.3 相机
•   §3.3 楔形玻璃板干涉
•     3.3.1 实验装置
•     3.3.2 实验结果及讨论
•   §3.4 倾斜分光棱镜干涉
•     3.4.1 实验装置
•     3.4.2 实验结果及讨论
•   §3.5 本章小结
•   参考文献
• 第四章 双通道干涉相位显微镜
•   §4.1 引言
•   §4.2 双通道干涉实现基础
•   §4.3 楔形玻璃板双通道干涉
•     4.3.1 实验装置
•     4.3.2 实验结果及讨论
•   §4.4 菲涅耳双棱镜双通道干涉
•     4.4.1 实验装置
•     4.4.2 实验结果及讨论
•   §4.5 菲涅耳双面镜双通道干涉
•     4.5.1 实验装置
•     4.5.2 实验结果及讨论
•   §4.6 系统稳定性测试
•   §4.7 本章小结
•   参考文献
• 第五章 迈克尔逊型横向剪切干涉相位显微镜
•   §5.1 引言
•   §5.2 横向剪切干涉原理
•   §5.3 改进型迈克尔逊干涉仪
•   §5.4 旋转式横向剪切干涉
•     5.4.1 实验装置
•     5.4.2 剪切量的获取
•     5.4.3 实验结果及讨论
•   §5.5 平移式横向剪切干涉
•     5.5.1 实验装置
•     5.5.2 剪切量的获取
•     5.5.3 实验结果及讨论
•   §5.6 本章小结
•   参考文献
• 第六章 全文总结与展望
•   §6.1 本文的主要研究内容
•   §6.2 待研究的问题和展望
• 致谢
• 攻读学位期间参加的项目、获得的奖励及科研成果
• 附: 外文论文两篇
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孙腾飞

导师: 卢景琦

关键词: 定量相位显微成像,干涉相位显微成像,单元件干涉,双通道干涉,横向剪切干涉,楔形玻璃板,分光棱镜,菲涅耳双棱镜,菲涅耳双面镜,迈克尔逊干涉仪

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 物理学,生物学,生物医学工程

单位: 山东大学

基金: 山东省自然科学杰出青年基金项目“定量相位显微成像技术”

分类号: O436.1;R318

总页数: 141

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