【摘要】：對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域不斷深入的探索與研究迫切地需要光學(xué)顯微成像技術(shù)可以看得更小、更清、成像速度更快。近年來對(duì)于光學(xué)三維顯微成像技術(shù)的研究主要聚焦于成像分辨率、成像視場、成像速度等性能指標(biāo)的追求和提升,以期實(shí)現(xiàn)樣品的高分辨率大視場快速三維成像。非相干數(shù)字全息技術(shù)可實(shí)現(xiàn)寬場三維成像,并且成像過程中不需要任何掃描裝置、系統(tǒng)機(jī)械件或樣品的移動(dòng)�；诜窍喔蓴�(shù)字全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高分辨率熒光非掃描三維顯微成像方法,在面向生物樣品成像時(shí)具有極大的應(yīng)用潛力,是目前光學(xué)三維顯微成像領(lǐng)域的研究前沿之一。生物細(xì)胞或組織等樣品往往具有較為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。因此,生命科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際研究中要求成像方法具有較高的軸向成像分辨率,并能提供光學(xué)層析的成像能力。另一方面,生物樣品內(nèi)由于折射率不均勻分布所導(dǎo)致的光學(xué)像差嚴(yán)重地影響了三維光學(xué)顯微成像系統(tǒng)的實(shí)際成像性能。發(fā)展一種面向?qū)嶋H生物樣品成像的三維、快速、層析、自適應(yīng)顯微成像技術(shù)具有重要的意義。然而,非相干數(shù)字全息技術(shù)在軸向成像分辨率、成像速度和成像質(zhì)量等方面達(dá)到的現(xiàn)有水平,限制了該技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域研究中的進(jìn)一步應(yīng)用。本論文以非相干數(shù)字全息技術(shù)為核心,以提高和拓展非相干數(shù)字全息顯微成像技術(shù)的成像性能為切入點(diǎn),研究實(shí)現(xiàn)非相干數(shù)字全息自適應(yīng)快速三維成像的方法,旨在提高現(xiàn)有非相干數(shù)字全息術(shù)的成像速度和軸向成像分辨率等性能,同時(shí)發(fā)展基于非相干全息的快速光學(xué)像差探測和校正方法以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的三維成像。本論文的主要研究內(nèi)容和研究成果概括為以下幾方面:1、闡明了自適應(yīng)非相干數(shù)字全息三維成像的基本原理。在明確非相干數(shù)字全息基本概念的基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了兩種基于不同光路配置實(shí)現(xiàn)非相干數(shù)字全息記錄的具體技術(shù):基于三角干涉光路的三角數(shù)字全息(Trianglar Holography)和菲涅耳非相干關(guān)聯(lián)數(shù)字全息(Fresnel Incoherent Correlation Holography,FINCH)。給出了不同類型全息圖的重建算法。以FINCH為例,理論分析了非相干數(shù)字全息系統(tǒng)的成像特性。為發(fā)展非相干數(shù)字全息自適應(yīng)三維層析成像技術(shù),進(jìn)一步闡明了論文后續(xù)研究中用到的壓縮感知技術(shù)的基本原理和自適應(yīng)光學(xué)中像差的數(shù)學(xué)描述、波前傳感和波前校正的基本原理。2、發(fā)展了基于三角干涉光路的單次曝光離軸數(shù)字全息成像方法,搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)樣品的單次曝光三維成像,并明確了該技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)樣品進(jìn)行三維追蹤成像時(shí)的定位分辨率。將該方法應(yīng)用于斑馬魚幼苗的三維位置實(shí)時(shí)追蹤中,并實(shí)現(xiàn)了斑馬魚在任意時(shí)刻的聚焦圖像重建和三維運(yùn)動(dòng)軌跡的提取。3、發(fā)展了基于同軸共路FINCH的壓縮并行相移數(shù)字全息成像方法,與基于離軸光路的單次曝光成像方法相比,充分利用了系統(tǒng)的空間帶寬積,在不損失系統(tǒng)成像分辨率的前提下,實(shí)現(xiàn)了單次曝光三維成像,提升了成像速度。采用空間分區(qū)復(fù)用在單幅全息圖記錄過程中實(shí)現(xiàn)所需求的多個(gè)相移值,從單個(gè)空間復(fù)用的并行全息圖中提取具有不同相移值的子全息圖,基于相移全息術(shù)重建算法實(shí)現(xiàn)單次曝光三維成像。針對(duì)并行相移非相干數(shù)字全息技術(shù)中存在的相移誤差,和欠采樣問題導(dǎo)致的重建像質(zhì)量下降問題,進(jìn)而提出了一種基于重建像質(zhì)量優(yōu)化的相移誤差校正方法,并在壓縮感知理論體系下建立了并行相移非相干全息成像的傳感矩陣等重要理論模型。通過對(duì)全息圖進(jìn)行壓縮重建的方式,提高了并行相移非相干數(shù)字全息術(shù)的成像質(zhì)量。4、發(fā)展了非相干數(shù)字全息三維層析成像方法,闡明了不同非相干數(shù)字全息機(jī)制(FINCH和Interferenceless Coded Aperture Correlation Holography,I-COACH)作為壓縮感知過程的理論體系,并建立了系統(tǒng)的三維成像壓縮傳感模型�；贔INCH系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非相干數(shù)字全息三維層析成像,給出了全息圖壓縮重建精度的定量評(píng)價(jià)方法。通過實(shí)驗(yàn)證明了壓縮感知體系下系統(tǒng)軸向重建精度的提高。基于壓縮I-COACH系統(tǒng),提高了現(xiàn)有COACH技術(shù)的軸向重建精度。在不損失成像視場的前提下實(shí)現(xiàn)了單次曝光三維成像。5、研究了非相干數(shù)字全息自適應(yīng)成像實(shí)現(xiàn)的方法和其中涉及的關(guān)鍵問題。利用非相干全息技術(shù)對(duì)于點(diǎn)源的波前記錄和重建能力,在三角全息系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了基于引導(dǎo)星的自適應(yīng)光學(xué)像差校正。面向厚生物樣品的三維成像應(yīng)用和實(shí)際需求,提出了一種熒光數(shù)字全息計(jì)算自適應(yīng)成像方法,實(shí)現(xiàn)了無引導(dǎo)星、無波探測器和無波前校正器的快速非掃描自適應(yīng)三維成像。理論上分析了非相干全息記錄過程作為一種波前傳感機(jī)制的可行性,并提出了一種基于全息重建像質(zhì)量優(yōu)化的計(jì)算自適應(yīng)像差校正算法,搭建了倒置式熒光數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究了所提出方法的像差校正效果和成像分辨率等性能。實(shí)現(xiàn)了三維分布的熒光微球和人體癌細(xì)胞樣品的非掃描自適應(yīng)三維成像。
【圖文】：

圖 2-1 基于三角干涉儀的非相干全息系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)原理示意圖Fig. 2-1 Triangular-interferometer-based incoherent holographic system(a) optical setup (b) detail configuration假設(shè)一個(gè)準(zhǔn)單色的自發(fā)光樣品 Object，，其上一點(diǎn)發(fā)出的光波被 L收集

圖 2-2 FINCH 系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)原理示意圖Fig. 2-2 Schematic of FINCH (a) optical setup (b) detail configuration自發(fā)光樣品 Object 發(fā)出的光波被 L 收集后先后經(jīng)過 P1和 BS 并照射到 。液晶純相位 SLM 的調(diào)制特性使得其只對(duì)平行于某一個(gè)敏感偏振方向（
【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)】：TP391.41;TH74

【參考文獻(xiàn)】

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2 李德陽;杜艷麗;張文斌;馬鳳英;弓巧俠;郭茂田;;非相干同軸數(shù)字全息成像系統(tǒng)研究[J];光電子·激光;2015年06期

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本文編號(hào)：2708534