基于数字全息的无标记定量显微成像研究

作     者：温凯 

作者单位：陕西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚保利;霍义萍

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：定量相位成像 层析 数字全息 四波剪切干涉 

摘      要：生物细胞和组织的成像是生物学研究和医学诊断的核心,而显微成像技术是医学和生物学中最常用的途径之一。传统显微成像技术只能获得待测样品的二维成像,并不能获得其三维信息分布。利用三维信息,我们不仅可以测量样品的体积还可以获得细胞的干重和折射率等其他的物理特性,进而实现高精密的观测和诊断研究。但是现有显微三维成像技术往往都存在成像对比度低、成像速度慢和需要荧光标记等制约因素,因此研究新的定量显微层析成像技术对多学科的发展具有指导意义,能够满足生物界和医学界对微小物体的精准观测的需求。基于数字全息的无标记定量显微层析技术便是近些年中发展较为火热的一门显微成像技术,该技术以数字全息为基础,结合相位与折射率的关系或者傅里叶衍射等理论,最终重建出待测透明弱散射样品的内部折射率分布。该显微层析技术无需对细胞或组织荧光标记,无光漂白性的影响、成像速度快,同时,重建精度高并能够定量恢复待测透明样品的三维形貌分布和折射率信息。作为一种无损、快速、高分辨显微层析成像技术,它的发展将对生物医学特定诊断、特殊植物种子结构测定等领域有重要应用。论文围绕两种干涉技术为基础的无标记定量显微层析成像技术的理论和实验展开阐述,通过模拟和实验证明了层析成像理论的可行性,主要完成的内容有:(1)开展基于双波长数字全息的无标记定量显微层析成像技术的理论和实验研究。首先,介绍了折射率信息重构流程并使用Matlab对流程进行数值模拟;其次,介绍了LED作为照明光源的优势,结合Linnik干涉装置,搭建了具有较高成像质量的实验装置。通过数值处理待测样品不同层面的全息图,获得各层面的相位分布信息。利用再现相位与折射率关系,重构出待测透明样品折射率分布情况。(2)研究基于四波剪切干涉技术对无标记弱吸收透明样品定量显微测量的理论和实验方法,通过多角度照明记录实现对样品内部折射率分布的观测。首先,在对四波剪切理论和傅里叶衍射理论介绍后,利用Matlab模拟了四波剪切干涉恢复待测波前的振幅和相位信息;其次,提出了利用LED作为照明光源,设计特定的照明小孔元件,在光源平面内通过移动二维平移台来改变小孔元件的不同位置来获得不同照明角度下的样品信息的多角度照明方式,结合四波剪切干涉技术搭建显微层析成像装置。最后,通过四波剪切干涉理论,恢复多角度下待测样品的复振幅信息,通过使用基于傅里叶衍射理论和迭代算法再现出弱吸收透明样品的折射率分布。测量了3t3-L1前脂肪细胞的内部折射率分布情况来证明理论和实验方法的可行性,对其成像特点做出了评价。