基于数字显微全息技术的相位光栅结构测量

以相位光栅为实验对象,开展了基于数字显微全息技术的相位物体三维显微结构信息的再现研究.在Mach-Zender透射式实验系统的基础上,分别采用显微物镜和无透镜放大方式,对相位光栅进行放大,以提高系统横向分辨率.在显微物镜放大系统中,菲涅耳近似数值再现算法与双波长技术相结合,抑制主要系统噪音,获得相位光栅的显微结构三维分布.在无透镜放大数字显微全息系统中,分别利用菲涅耳近似法和卷积方法再现原始物波前,并提出相减法消除系统主要球面误差,获得相位光栅的深度信息.实验结果与Veeco干涉仪测试结果比对表明,光栅周期和深度结构与干涉仪测试数据相符.

数字显微全息中二次项相位误差的补偿

针对预放大式数字离轴显微全息技术中二次项相位误差,提出一种基于单幅全息再现的补偿方法.该方法是在显微物镜后焦平面处实现该相位误差的数学补偿,相位误差补偿过程具有调整参量单一化的优点.同时,利用显微物镜的后焦平面上物点特征实现了最佳再现距离的自动判断.该文以相位光栅为实验样本,对该方法进行了实验例证,实验结果验证了本文所提出二次项相位误差的补位误差的补偿方法的正确性和有效性.

数字显微全息中透镜组成像实验参数研究

在数字显微全息中,引入显微物镜之后,物体通过显微镜后所成像的位置难以确定,CCD接收到的图像的放大倍数并不是显微镜标示的放大倍数而是一不确定值,并且CCD离物体所成像的距离太近不能重建出清晰的图像。针对这些问题,提出当物体放置位置固定时,讨论在能重建出清晰图像的前提下,CCD与像之间满足的关系;CCD的放置位置固定时,给出物体的放置位置与CCD位置之间的关系。实验结果表明:经过透镜组之后,CCD放置在通过算法算出的距离之内时,能重现出清晰的全息图,当不满足物体与CCD之间的关系时,重现图质量较差。

卷积法和角谱法再现显微全息图时补零数的研究

针对全息图补零法的补零数对再现像和系统效率的影响,结合数字全息显微术中卷积法和角谱法数字再现的原理和再现面与物体放大像尺寸的关系,研究补零数对再现像和系统效率的影响,并采用梯度法来评价再现像的质量。对全息图采用频率滤波提取实像或共轭像的频谱,再采用卷积法或角谱法数字再现,获得物体的放大像。结合再现像的质量和效率两方面因素,提出了补零数的选取依据,即以再现面的物理尺寸不小于物体的放大像时的最小补零数作为最佳补零数,此时能以最小的计算量获得最高质量的再现像。通过实验验证,结果与理论分析一致,证明了选取补零数的依据。

数字显微全息中颗粒重建数值模拟

采用数值模拟方法研究了颗粒空间位置及间距对显微全息测量结果(颗粒位置和粒径)的影响,分别考察了颗粒在平行和垂直光轴方向上,电荷耦合元件(CCD)平面内不同间距和不同粒径情况下的颗粒重建结果,讨论了灰度阈值对颗粒识别的影响,并结合实验对实际拍摄得到的颗粒全息图进行重建分析.结果表明:在垂直光轴方向上,当记录距离分别为5、50、100μm时,可以识别出粒径均为1μm的双颗粒的最小间距分别对应为1、2、2μm;在平行光轴方向上,记录距离分别为5、50、100μm时,可以识别出粒径均为1μm的双颗粒的最小间距分别对应为2、8、16μm;在重建过程中,灰度阈值应设定为不小于0.5.

基于模糊聚类的数字显微全息图像分割

图像分割是由图像处理到图像分析的一个关键步骤,同时它又是一个经典难题;数字显微全息图像由于其成像机理的复杂性以及对成像环境的高要求使图像的分割变得更为困难。文章将模糊聚类应用于数字显微全息图像的分割,实验证明这种方法简便而有效。

利用全息光学元件作为分束器的非相干显微全息术

在全息显微术中，有两种方法是值得探讨的：一种是用光学系统首先产生一个放大像，另一种是先记录显微物体的全息图，然后再进行放大重现。本文介绍第一种方法，它与目前显微术的区别在于：在光路中使用了合适的光学元件作为分束器，让参考光束通过显微镜光学元件从输入面传输到输出面，避免了由于振动带来的不利影响、并且还可使用特殊的非相干多色光（时间相干长度约6μm）记录全息。

面向微光学元件表面形貌测量的涡旋相移数字全息技术

非接触、无损害的相移数字全息技术对微光学元件检测具有独特优势。因传统的相移数字全息技术需要对相移器进行精细控制和繁琐校准,同时其光路易受到机械振动干扰,导致全息再现像的质量降低。本文借助涡旋光特殊的相位分布,提出了一种基于涡旋相移数字全息的微光学元件表面形貌测量方法。该方法利用螺旋相位板调制涡旋相位,引入高精度相移。基于构建的涡旋相移数字全息显微实验装置,采用干涉极值法确定了相移干涉图之间的真实相移量,并对螺旋相位板的旋转角度与相移量的关系进行标定,实验验证了涡旋相移的可行性;对微透镜阵列进行了重复测量实验,将测试结果与ZYGO白光干涉仪的测试结果进行比较。结果表明:测量得到单个微透镜的平均纵向矢高为12.897μm,平均相对误差为0.155%。所提方法可以实现对被测微光学元件表面形貌的高精度测量,具有易操作、稳定可靠、准确性高等优点。

基于数字全息显微成像的活精子检验技术进展

精子质量分析是男性生育力评估最基础的量化评估方法之一。虽然精子质量评估的方法已经发展数十年,但是目前仍迫切需要一种无需化学处理、无需染色或荧光标记、无物理侵入、大视场、高分辨和3D空间清晰表征的精子细胞成像技术。数字全息显微技术就是满足上述条件的一种方法,能够实现高分辨率成像、高速记录和高精度三维空间定位。该文从数字全息显微成像技术原理、活精子细胞全息显微成像技术、活精子细胞3D运动轨迹量化追踪、人工智能深度学习精子识别与统计算法等技术进展与应用进展方面,对基于数字全息显微技术的无标记活精子检测技术进行了综述。

基于全息图放大的数字全息显微结构测量

针对典型预放大数字显微全息光路中存在的二次位相误差,设计了基于全息图放大的数字全息显微光路。首先用光束照射透明显微物体,然后与平行参考光干涉,形成全息图,最后经显微镜获得放大的全息图。这种光路从系统上直接消除了主要由球面波引起的位相畸变,有利于处理的数字化及实时化。以位相光栅(30 lp/mm,槽深约0.3μm)作为实验样本,对此光路进行了分析研究,并分别用菲涅耳近似法和卷积法再现单幅全息图,同时获取了物体的强度信息和三维位相信息,位相深度为0.27μm。实验结果表明,本文设计的光路对二次位相产生的离焦误差有明显的抑制作用。

余弦拟合消除相移误差在显微数字全息术中的应用

分析了在常用的四步相移中相移误差对相位重构造成的误差,给出了相移误差与相位重构误差的关系式,提出了通过干涉条纹的拟合来计算相移误差的方法,并将该方法应用于数字显微全息术测量细胞相位的实验中,得到了比较理想的细胞三维形貌.与不进行修正的结果相比较,发现相移误差造成的周期性相位重构误差,在使用后被明显地减少了,表明此方法是有效的.考虑到大多数全息图的干涉条纹比较容易识别,而且比较规则,因此该方法有比较好的通用性.

显微全息的一种光路设计

一、引言 显微全息术是显微和全息相结合的技术,其特点是将微小物体通过显微技术进行放大,通过全息技术进行三维信息贮存,这两种技术的先后次序是可以互换的,因此显微全息术分两种类型,一种是用显微术将标本图像放大再记录其全息图称预放大;另一种是先拍摄标本的全息图再用显微镜进行观察称后放大。显微全息术最突出的优点是可以拍摄生物活标本的瞬态全息图,便于进行三维观察或“冻结”它的某个瞬态进行长期保存。这种情况通常需使用脉冲激光器或高功率连续激光器,这些光源价格昂贵,而且由于照射在活标本上的激光束功率密度高,往往会影响甚至破坏它的正常生长。本文介绍的一种显微全息光路。

数字显微全息重建图像的景深扩展研究

显微物镜的景深问题限制数字显微全息在大纵深视场中的应用.本文充分利用数值重建的特点,采取低频和高频系数子图上的最大亮度梯度的局部方差作为聚焦判据,在小波分解域内对显微全息重建图像的景深扩展问题进行了研究.对倾斜的连续物体碳纤维进行三维重建,分析了重建距离与直径测量误差的关系.以超声波雾化器生成的微液滴颗粒场为例,对离散颗粒场的重建图像进行了景深扩展.利用基于广义洛伦兹-米散射理论的模型分别模拟1—15μm的非透明与透明离散颗粒的显微全息图,分析了该方法重建的颗粒场的纵深定位误差与夫琅禾费系数的关系,对比了非透明与透明颗粒纵深定位误差的异同点.实验和模拟结果显示出该方法对于连续物体和离散颗粒场的显微全息重建图像的景深扩展能力,且能由此准确重建物体信息.

数字显微全息中记录参数对颗粒测量影响的数值模拟

数字显微全息技术由于具有三维、非接触和实时测量微小空间内流场的能力,已引起了国内外学者的广泛关注.利用数字显微全息方法测量微通道流场时,记录距离、颗粒尺寸、颗粒浓度、入射光波长、CCD分辨率等参数会对颗粒重建结果产生重要影响.为了评估颗粒浓度和样本空间深度对重建结果的影响,本文开展了数值模拟研究.采用基于洛伦兹-米散射理论的程序产生不同浓度的颗粒全息图,用小波变换重建算法对其进行重建.结果表明:在样本空间深度为24μm时,颗粒浓度ns在3.44×105mm 3—13.77×105mm 3范围内时,颗粒重建率Ep随着颗粒浓度ns的增大而迅速减小,在13.77×105mm 3—55.08×105mm 3范围内时,颗粒重建率Ep随颗粒浓度ns增大而缓慢减少.在颗粒浓度ns(13.77×105mm 3)保持不变时,颗粒重建率Ep与样本空间深度满足单调递减的线性关系.当阴影密度不变时,重建率的变化呈现一定的规律性:当深度L较小时,样本空间深度对颗粒重建的影响要比颗粒浓度的影响大;当深度L较大时,颗粒浓度对颗粒重建的影响较大.

显微数字全息中物光波前重建方法研究和比较

根据全息理论和线性系统理论,采用离轴无透镜傅里叶变换全息记录光路,对利用菲涅耳近似法、基于瑞利—索末菲衍射积分的卷积法以及角谱理论方法数值重建全息图进行了比较研究,并做了计算机模拟验证.结果表明:菲涅耳近似法和角谱方法重建像质比较好,且菲涅耳方法重建速度快;在记录距离极小的情况下,尽管记录距离不满足通常的菲涅耳近似条件,菲涅耳近似公式仍然成立;自由空间脉冲响应的快速傅里叶变换的性质与距离有关,由卷积方法得到的再现像只在某一特定距离下比较理想;对于极小物场、大孔径显微数字全息来说,菲涅耳近似重建方法是较为有效的方法.

显微数字全息中的3维信息重建

通过理论分析和模拟验证,研究了基于横向剪切的数字全息相位重建方法,分析并指明了详细的重建过程,提出了利用平坦区域相位数据进行线性拟合,从而获得线性相位畸变系数的方法,并指出对原始包裹相位图进行1维相位展开是横向剪切法重建数字全息相位信息的前提。对无噪声及含有噪声的全息图进行了数值重建,结果表明:对于弱噪声干扰的全息图,该方法很有效;而对于较强噪声干扰的全息图,采用中值滤波方法对原始相位图进行滤波后再重建,并对重建的相位图再次进行中值滤波,可以得到高质量的再现像;减小再现像平面抽样间隔,使剪切相位图中相邻的两个像元之间相位差的最大值小于2π,才可以获得正确的相位重建。

基于相移技术的显微数字全息重构细胞相位

介绍了用显微镜物镜、压电陶瓷和CCD建立的一套测量细胞相位的显微数字全息光路,基于相移技术,给出了重构相位的理论分析,并用洋葱磷片叶细胞作为测试样品,完成了测量细胞相位的实验.结果表明:该系统可以完成细胞相位重构,系统分辨率不低于1μm.

数字全息显微术对细胞的研究

通过数字全息显微的方法分析研究了新鲜洋葱表皮细胞的形貌结构.根据全息理论、光的衍射理论和透镜的相位变换性质,从理论上分析了数字全息显微原理,并依据四步相移和最小二乘去包裹技术,研究了重构细胞相位的方法.分析比较了不同参考光对数字全息显微分辨率的影响,设计了用球面光波作为参考光记录数字全息显微的装置.以新鲜洋葱表皮细胞为样本完成了实验检测和相位重构,得到了细胞的相位和三维信息,并粗略估计了细胞宽度和厚度.系统分辨率达到了1 .3μm.

数字全息显微系统结构参量对再现像质的影响

为了获取高质量的数字全息显微再现像,分析了同轴相移数字全息显微系统结构参量对再现像质的影响.首先经过计算得出理想成像时,像空间物光波频率完全由物体面形结构频率和系统放大倍率决定.然后基于显微成像时物光波的所有频率分量都应该被有效记录的分析,得出在同轴相移系统中放大倍率必须使物光波的空间频率缩小到满足采样要求;并得出在相同的放大倍率下记录距离会影响有效记录的物体尺寸,记录器件离开像平面的距离越小,有效记录的物体尺寸越大,在像平面上时有效记录的物体尺寸最大.计算机仿真和光学实验都证明了上述结论的正确性.

反射式数字全息显微术对细胞的研究

根据全息理论和光的衍射理论,理论分析了数字全息显微术原理,并依据四步相移和最小二乘相位展开技术,研究了重构细胞相位的方法.设计了用球面光波作为参考光的反射式数字全息显微光路,通过反射式数字全息显微术的方法分析研究了新鲜洋葱表皮细胞的形貌结构.实验以新鲜洋葱表皮细胞为样本,完成了实验检测和相位重构,得到了细胞的相位和三维信息.分析表明,系统理论分辨率应达到0.8μm.