【摘要】：從1948年Dennis Gabor提出全息術(shù)至今,激光器和光電耦合器件的發(fā)展極大地推進了數(shù)字全息術(shù)的快速進步,數(shù)字全息術(shù)使用光電耦合器件記錄全息圖并利用計算機進行數(shù)值重建,實現(xiàn)數(shù)字全息圖的重建成像。數(shù)字全息顯微成像技術(shù)由于其數(shù)值重建具有擴展性,以及具有非接觸、高分辨率和可實時成像的特點,在近年得到快速發(fā)展。微流控芯片是一種新興的生化實驗終端,是一種排布有微尺寸通道的芯片實驗室,藉由微尺寸通道產(chǎn)生的微流體效應,可進行生物學、化學、醫(yī)學等方面的檢測和實驗。近十年來,盡管微流控芯片相關(guān)的技術(shù)迅猛發(fā)展,但現(xiàn)有的成像檢測手段無法滿足微流控芯片實時無標記非接觸檢測的需求,特別是對于封閉型的微流控通道,一直缺乏有效的檢測手段。此外,目前對于微流體力學的研究也受限于成像方法,特別是對于透明或近透明溶液的微流效應研究,缺少有效的觀測手段。無論是經(jīng)典的光學顯微鏡成像方法還是電子顯微鏡或原子力顯微鏡成像方法,都不適用于微流控通道及其微流體內(nèi)的微物質(zhì)成像。本論文面向微流控芯片定量檢測的數(shù)字全息成像方法進行研究,旨在實現(xiàn)微流控芯片中微管道和微物質(zhì)的高分辨率三維顯微成像,涉及實時雙波長數(shù)字全息成像方法、區(qū)域掃描的數(shù)字全息成像方法以及薄膜數(shù)字全息計量及其表征方法。本論文的主要研究內(nèi)容及成果歸納為如下幾方面:第一部分,研究微通道及其微流溶液的實時數(shù)字全息成像方法。建立了基于偏振復用的準共路干涉數(shù)字全息成像系統(tǒng),利用正交偏振光束在同一離軸數(shù)字全息干涉光路中共路傳輸并分離記錄,實現(xiàn)了兩個波長全息圖的同時無串擾記錄;基于離軸數(shù)字全息頻譜分布特點,給出了離軸頻譜自動濾波算法和雙波長頻譜關(guān)聯(lián)濾波算法,對于單波長和雙波長數(shù)字全息圖實現(xiàn)了準確的正一級頻譜信息提取,尤其是雙波長關(guān)聯(lián)濾波算法可以基于兩個共路干涉光的頻譜載頻位置關(guān)系,快速實現(xiàn)兩個波長全息圖的關(guān)聯(lián)濾波;研究給出了基于微通道的溶液折射率測量方法,對Y型微流控芯片內(nèi)分液傳輸?shù)?0%熒光素鈉混合液、5%聚酰胺溶液分別進行數(shù)字全息成像,并由重構(gòu)相位分布計算得到了其折射率。第二部分,針對微流控通道內(nèi)的微流體運動特性,研究基于時空掃描數(shù)字全息的分辨率提高方法。闡述了時空全息圖合成構(gòu)建過程并分析了其對成像分辨率提高的影響,給出了基于運動分解和區(qū)域掃描的時空掃描數(shù)字全息成像方法,實驗采用運動狀態(tài)下的分辨率板進行區(qū)域掃描數(shù)字全息記錄,驗證了區(qū)域掃描記錄以及時空全息圖合成構(gòu)建成像能有效提高掃描方向的分辨率,實現(xiàn)了單次記錄條件下成像分辨率的提高;討論了時空掃描數(shù)字全息成像的散斑噪聲抑制,提出利用區(qū)域掃描結(jié)合多幅相移全息圖合成提高成像信噪比的方法,實現(xiàn)了單次記錄下成像分辨率和信噪比提高。在時空掃描數(shù)字全息高通量血細胞計量實驗中,對流經(jīng)微流控芯片管道的血紅細胞進行了高通量計數(shù)實驗,提出了細胞三維計數(shù)的全息微粒圖像測速示蹤算法,實現(xiàn)了微通道流場細胞的快速計數(shù)。第三部分,研究薄膜表面微流體力學效應的數(shù)字全息成像表征方法。分析了薄膜厚度在數(shù)字全息重建中表征方式,采用單波長數(shù)字全息成像系統(tǒng),對氣泡膜中心區(qū)域臨近破裂時的厚度變化進行了測量,實驗擬合得出對應于排水過程的膜厚變化;通過建立薄膜排水過程的時空分布圖,實現(xiàn)了對薄膜排水過程中微流體效應的數(shù)字全息成像與表征,清晰呈現(xiàn)出薄膜表面液流的回流現(xiàn)象;針對薄膜上微粒示蹤特點,優(yōu)化了基于圖像相關(guān)識別的數(shù)字全息微粒示蹤算法,通過記錄氣泡膜成長過程的數(shù)字全息圖并對氣泡膜上微粒進行追跡,給出了薄膜成長過程中微粒隨薄膜表面流體運動的軌跡。本論文闡述了面向微流控芯片定量檢測的數(shù)字全息成像方法,實現(xiàn)了對于微流控通道結(jié)構(gòu)、微流中微物質(zhì)和微流體效應的數(shù)字全息成像測定和表征,為相關(guān)研究工作的開展提供了可靠的成像手段。
【圖文】：

圖 2-2 (a) 為用于構(gòu)成時空掃描全息圖的分立全息圖序列，其中藍色條紋示意了全息圖中干涉條紋。圖 2-2 (b) 為所構(gòu)成的時空掃描全息圖，圖中的藍色條紋也示意了全息圖中的干涉條紋。從圖2-2示出的時空掃描全息圖的構(gòu)成過程可以看到，圖 2-2(a)所示的 x-y坐標系中的斜向干涉條紋，轉(zhuǎn)換為圖 2-2(b)所示的t-y 坐標系中的水平干涉條紋，出現(xiàn)這種干涉條紋取向變換是時空掃描全息圖構(gòu)成的特點。換言之，時空掃描記錄的全息圖經(jīng)過列拼接后，原始分立全息圖的干涉條紋取向會自動轉(zhuǎn)換為沿掃描方向取向的干涉條紋。在所獲得的時空掃描全息圖 I0(t, y)中，該全息圖的縱坐標 y 保持原有分立全息圖的縱坐標，而其原有橫坐標 x 將變?yōu)榕c分立全息圖幀數(shù)序列相關(guān)的時間坐標 t。從原理上，時空掃描全息圖可以實現(xiàn)掃描方向的任意擴展視場，即可以在x軸方向上隨著記錄時間無限擴展。正如圖 2-2 中所示意的干涉條紋取向

北京工業(yè)大學工學博士學位論文的數(shù)值重建需通過多步相移實現(xiàn)（例如：三步或四步相移將在時空掃描全息圖的重建部分具體討論。理是全息圖數(shù)值重建過程的重要一步，為此在記錄時就息圖間的最小相移。根據(jù)時空掃描數(shù)字全息圖記錄和構(gòu)成的時空掃描全息圖間的最小相移可以表達為：min2 xsinp x 方向掃描為例，Δx 為掃描方向上的像元尺寸，該像元尺寸；p是分立全息圖空間載頻的條紋間隔（PitchoftheSpati面 (x, y)上載波的干涉條紋面與掃描方向 x 的夾角。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN492;TN26

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本文編號：2661727