【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(jìn)了數(shù)字全息術(shù)的快速進(jìn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值重建,實(shí)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(kuò)展性,以及具有非接觸、高分辨率和可實(shí)時(shí)成像的特點(diǎn),在近年得到快速發(fā)展。微流控芯片是一種新興的生化實(shí)驗(yàn)終端,是一種排布有微尺寸通道的芯片實(shí)驗(yàn)室,藉由微尺寸通道產(chǎn)生的微流體效應(yīng),可進(jìn)行生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)。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(cè)手段無法滿足微流控芯片實(shí)時(shí)無標(biāo)記非接觸檢測(cè)的需求,特別是對(duì)于封閉型的微流控通道,一直缺乏有效的檢測(cè)手段。此外,目前對(duì)于微流體力學(xué)的研究也受限于成像方法,特別是對(duì)于透明或近透明溶液的微流效應(yīng)研究,缺少有效的觀測(cè)手段。無論是經(jīng)典的光學(xué)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(cè)的數(shù)字全息成像方法進(jìn)行研究,旨在實(shí)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(shí)時(shí)雙波長(zhǎng)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(jì)量及其表征方法。本論文的主要研究?jī)?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(shí)時(shí)數(shù)字全息成像方法。建立了基于偏振復(fù)用的準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了兩個(gè)波長(zhǎng)全息圖的同時(shí)無串?dāng)_記錄;基于離軸數(shù)字全息頻譜分布特點(diǎn),給出了離軸頻譜自動(dòng)濾波算法和雙波長(zhǎng)頻譜關(guān)聯(lián)濾波算法,對(duì)于單波長(zhǎng)和雙波長(zhǎng)數(shù)字全息圖實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的正一級(jí)頻譜信息提取,尤其是雙波長(zhǎng)關(guān)聯(lián)濾波算法可以基于兩個(gè)共路干涉光的頻譜載頻位置關(guān)系,快速實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波長(zhǎng)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(cè)量方法,對(duì)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(jìn)行數(shù)字全息成像,并由重構(gòu)相位分布計(jì)算得到了其折射率。第二部分,針對(duì)微流控通道內(nèi)的微流體運(yùn)動(dòng)特性,研究基于時(shí)空掃描數(shù)字全息的分辨率提高方法。闡述了時(shí)空全息圖合成構(gòu)建過程并分析了其對(duì)成像分辨率提高的影響,給出了基于運(yùn)動(dòng)分解和區(qū)域掃描的時(shí)空掃描數(shù)字全息成像方法,實(shí)驗(yàn)采用運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的分辨率板進(jìn)行區(qū)域掃描數(shù)字全息記錄,驗(yàn)證了區(qū)域掃描記錄以及時(shí)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(shí)現(xiàn)了單次記錄條件下成像分辨率的提高;討論了時(shí)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(shí)現(xiàn)了單次記錄下成像分辨率和信噪比提高。在時(shí)空掃描數(shù)字全息高通量血細(xì)胞計(jì)量實(shí)驗(yàn)中,對(duì)流經(jīng)微流控芯片管道的血紅細(xì)胞進(jìn)行了高通量計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn),提出了細(xì)胞三維計(jì)數(shù)的全息微粒圖像測(cè)速示蹤算法,實(shí)現(xiàn)了微通道流場(chǎng)細(xì)胞的快速計(jì)數(shù)。第三部分,研究薄膜表面微流體力學(xué)效應(yīng)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(zhǎng)數(shù)字全息成像系統(tǒng),對(duì)氣泡膜中心區(qū)域臨近破裂時(shí)的厚度變化進(jìn)行了測(cè)量,實(shí)驗(yàn)擬合得出對(duì)應(yīng)于排水過程的膜厚變化;通過建立薄膜排水過程的時(shí)空分布圖,實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜排水過程中微流體效應(yīng)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(duì)薄膜上微粒示蹤特點(diǎn),優(yōu)化了基于圖像相關(guān)識(shí)別的數(shù)字全息微粒示蹤算法,通過記錄氣泡膜成長(zhǎng)過程的數(shù)字全息圖并對(duì)氣泡膜上微粒進(jìn)行追跡,給出了薄膜成長(zhǎng)過程中微粒隨薄膜表面流體運(yùn)動(dòng)的軌跡。本論文闡述了面向微流控芯片定量檢測(cè)的數(shù)字全息成像方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于微流控通道結(jié)構(gòu)、微流中微物質(zhì)和微流體效應(yīng)的數(shù)字全息成像測(cè)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(shí)空掃描全息圖的分立全息圖序列，其中藍(lán)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(shí)空掃描全息圖，圖中的藍(lán)色條紋也示意了全息圖中的干涉條紋。從圖2-2示出的時(shí)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(biāo)系中的斜向干涉條紋，轉(zhuǎn)換為圖 2-2(b)所示的t-y 坐標(biāo)系中的水平干涉條紋，出現(xiàn)這種干涉條紋取向變換是時(shí)空掃描全息圖構(gòu)成的特點(diǎn)。換言之，時(shí)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(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為沿掃描方向取向的干涉條紋。在所獲得的時(shí)空掃描全息圖 I0(t, y)中，該全息圖的縱坐標(biāo) y 保持原有分立全息圖的縱坐標(biāo)，而其原有橫坐標(biāo) x 將變?yōu)榕c分立全息圖幀數(shù)序列相關(guān)的時(shí)間坐標(biāo) t。從原理上，時(shí)空掃描全息圖可以實(shí)現(xiàn)掃描方向的任意擴(kuò)展視場(chǎng)，即可以在x軸方向上隨著記錄時(shí)間無限擴(kuò)展。正如圖 2-2 中所示意的干涉條紋取向

北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文的數(shù)值重建需通過多步相移實(shí)現(xiàn)（例如：三步或四步相移將在時(shí)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(shí)就息圖間的最小相移。根據(jù)時(shí)空掃描數(shù)字全息圖記錄和構(gòu)成的時(shí)空掃描全息圖間的最小相移可以表達(dá)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(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN492;TN26

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本文編號(hào)：2661727