高精度定量相位显微成像方法研究

定量相位显微成像在工业检测、生物医学和光场调控等领域具有重要的应用价值。常用的定量相位显微成像技术通过干涉的方法来获取相位的定量分布,干涉装置的稳定性、光学衍射极限的限制、相位再现时的解包裹问题、激光照明下的相干噪声,以及动态观测过程中的样品离焦等因素都会影响定量相位显微成像的分辨率和精度。本文围绕高精度定量相位显微成像中的上述关键问题展开研究,通过构建物参共路的同步相移数字全息显微结构实现稳定的实时测量;采用结构光照明的超分辨相位成像方法实现对微小物体的超分辨相位成像;利用双波长照明将纵向无包裹相位测量范围扩大到微米量级;使用低相干LED照明解决相干噪声问题;提出了基于结构光照明和双波长照明的数字全息显微自动调焦方法,可以满足对不同类型样品的长时间跟踪观测。

谱域相位显微成像的相位解包裹

提出了一种应用于谱域相位显微成像的相位解包裹方法。利用傅里叶变换及合成波长相位计算方法分别得到具有较小噪声的包裹相位和具有较大噪声的解包裹相位,利用解包裹相位与包裹相位之差计算包裹相位的包裹次数,以此对具有较小噪声的包裹相位进行解包裹。该方法消除了现有方法引入的边界分段错误。建立了一种基于合成波长的谱域相位显微成像系统,使用压电位移台定量验证了该系统可以用于大梯度边界的相位解包裹,并进行了红细胞和倾斜镜面的相位成像。该系统在空气中的位移灵敏度为0.043 nm。

基于相图下的细胞折射率与厚度双波长解耦方法

活体细胞成像中,折射率和厚度分布的检测结果一直是细胞变异和形态分析中的重要参数。在光学相位成像中,由于细胞折射率和厚度的耦合效应,细胞的折射率不能直接被测量到,因此,细胞折射率和厚度解耦方法的研究一直是该领域研究的一个热点。对此,本文以血细胞为研究对象,基于免标三维相位成像信息,建立双波长相移方程,通过三维相位成像下的双波长相位信息分布特征和梯度分布特征分析,利用细胞介质的色散特性,得到了双波长相位分布函数表示下的均质和有核非均质样品的折射率以及厚度解耦的数学解。通过单介质模型和外胞类球形有核式模型的仿真实验,得到了折射率和外胞及内核厚度分布的结果,误差分析表明其具有较高的精准性,由此验证了本文方法的正确性。本文方法可对均质细胞(如血红细胞)和外胞类球形有核细胞(如白细胞)进行折射率和厚度分布的解耦,由此可为血细胞质量检测和亚类识别方法的研究提供一种新思路。

微体化石3D结构的同步辐射无损成像研究

瓮安动物化石群是目前已知的最古老的多细胞动物化石群,其为代表的微体化石有很多重要的科学内涵有待揭示。然而,无损高分辨3D成像方法的缺少长期制约着对微体化石的深入研究。同步辐射硬X射线相衬显微断层成像(PC-SR-μCT)具有高穿透性、高空间分辨率、高密度分辨率等优点。通过几年来的跨领域国际合作研究,我们发现PC-SR-μCT非常适合无损高空间分辨率研究微体古生物化石的3D结构,是微体化石研究的理想新手段。首先介绍PC-SR-μCT方法及其在微体化石无损研究中的相关方法学,然后简介近几年PC-SR-μCT在瓮安动物群微体化石研究中取得的主要成果。