本文關(guān)鍵詞：基于多波前剪切干涉與光學(xué)層析技術(shù)三維折射率場(chǎng)重構(gòu)研究

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【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,信息的獲取形式也在由傳統(tǒng)的平面信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw信息。在生命科學(xué)領(lǐng)域,傳統(tǒng)的光學(xué)成像顯微鏡正逐步被能夠提供生物細(xì)胞或組織三維結(jié)構(gòu)信息的共聚焦顯微鏡、結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡以及層析相位顯微鏡所取代。對(duì)于熒光單標(biāo)記或多標(biāo)記的細(xì)胞及組織樣本,共聚焦顯微鏡與結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡均可以獲得較為理想的檢測(cè)結(jié)果,其中結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡還可以通過(guò)合成孔徑的方式實(shí)現(xiàn)超分辨的三維層析成像。但為了克服標(biāo)記樣本的局限性,對(duì)于非標(biāo)記的透明生物體而言,只有采用光學(xué)干涉層析技術(shù)的層析相位顯微鏡可以在重構(gòu)生物體折射率分布的基礎(chǔ)上獲得其三維結(jié)構(gòu)信息。同樣在空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域,高超音速飛行器設(shè)計(jì)是近年來(lái)航空航天領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn),其困難不僅僅在于氣動(dòng)布局的設(shè)計(jì)與仿真,同時(shí)也包括了飛行器模型周圍流場(chǎng)分布的氣動(dòng)光學(xué)檢測(cè),傳統(tǒng)的紋影儀與干涉儀僅能實(shí)現(xiàn)單個(gè)方向的光線偏折或波前畸變檢測(cè),如需獲得流場(chǎng)中折射率分布及密度分布的精確信息還要借助光學(xué)干涉層析技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前的光學(xué)干涉層析技術(shù)多采用常用的Mach-Zehnder型或Twyman-Green型干涉體系,在抗環(huán)境干擾能力、檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍以及機(jī)構(gòu)的儀器化小型化方面還需要進(jìn)一步提高。本文利用多波前剪切干涉技術(shù)動(dòng)態(tài)范圍高抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),在光學(xué)層析三維折射率場(chǎng)重構(gòu)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,研究了針對(duì)高速流場(chǎng)分布檢測(cè)的大口徑雙波前偏折型徑向剪切干涉三維折射率場(chǎng)重構(gòu)系統(tǒng),以及針對(duì)生物細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)檢測(cè)的四波前橫向剪切干涉三維折射率場(chǎng)重構(gòu)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了空氣流場(chǎng)與生物細(xì)胞的光學(xué)干涉層析檢測(cè)。該研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)光學(xué)干涉層析技術(shù)的通用化與小型化具有重要的意義。主要研究?jī)?nèi)容包括：論述了光學(xué)層析技術(shù)的背景與其在氣動(dòng)光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要意義,綜合比較了光學(xué)投影層析法、光線偏折層析法以及光學(xué)干涉層析法的優(yōu)劣,提出了基于多波前剪切干涉與光學(xué)層析方法的三維折射率分布重構(gòu)技術(shù)。介紹了作為光學(xué)層析三維折射率分布重構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)的Radon變換及重要性質(zhì)傅里葉切片定理,研究了Radon變換的逆變換即濾波反投影算法與代數(shù)重構(gòu)算法的原理、算法實(shí)現(xiàn)以及仿真比較。通過(guò)變化待重構(gòu)網(wǎng)格數(shù)、投影角度數(shù)以及投影光線條數(shù)對(duì)不同重構(gòu)條件下的濾波反投影算法和代數(shù)重構(gòu)算法的性能做了詳細(xì)的評(píng)估。針對(duì)高超音速流場(chǎng)中的三維折射率分布檢測(cè),提出了大口徑雙波前偏折型徑向剪切干涉三維折射率重構(gòu)技術(shù),設(shè)計(jì)了可用于模型遮擋情況下風(fēng)洞檢測(cè)的共路抗干擾的偏折型環(huán)形徑向剪切干涉儀,在此基礎(chǔ)上研究了偏折型徑向剪切干涉圖的波前解調(diào)算法并加以仿真驗(yàn)證�？紤]到風(fēng)洞窗口限制以及模型遮擋導(dǎo)致的有限角度中心遮擋問(wèn)題,提出了相應(yīng)的雙調(diào)和樣條插值代數(shù)重構(gòu)算法。針對(duì)生物細(xì)胞等微小樣品的檢測(cè),提出了四波前橫向剪切干涉三維折射率分布重構(gòu)技術(shù)。在交叉光柵橫向剪切干涉儀、改進(jìn)哈特曼模板橫向剪切干涉儀等四波前橫向剪切干涉儀的基礎(chǔ)上,提出了新穎的基于隨機(jī)編碼混合光柵的四波前橫向剪切干涉儀。研究了不同條件下解調(diào)四波前橫向剪切干涉圖的位相重建算法�？紤]到采用振鏡擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)投影角度變化會(huì)導(dǎo)致部分角度的投影數(shù)據(jù)無(wú)法獲得,研究了可以通過(guò)引入其他先驗(yàn)信息改善重構(gòu)結(jié)果的迭代約束濾波反投影算法,實(shí)現(xiàn)了缺失投影角度情況下投影數(shù)據(jù)的精確重建。分別建立大口徑雙波前偏折型徑向剪切干涉三維折射率場(chǎng)重構(gòu)與四波前橫向剪切干涉三維折射率場(chǎng)重構(gòu)原理性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了偏折型環(huán)形徑向剪切干涉儀、交叉光柵橫向剪切干涉波前檢測(cè)系統(tǒng)以及隨機(jī)編碼混合光柵四波前橫向剪切干涉波前檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度,與光學(xué)層析技術(shù)相結(jié)合,分別實(shí)現(xiàn)了模型遮擋下熱氣流的三維折射率分布重構(gòu)與紅細(xì)胞的三維折射率分布重構(gòu),獲得了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。總結(jié)了本文所開(kāi)展的相關(guān)工作,并對(duì)下一步研究方向進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O439

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本文編號(hào)：1277261