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基于双视场强度传播方程的实时相位成像技术的研究

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基于双视场强度传播方程的实时相位成像技术的研究

作者：龚庆涛江南大学

学位级别：硕士

基于强度传播方程(transport of intensity equation,TIE)的相位恢复技术是一种非干涉、非迭代、测量环境简易的相位成像方法,可以实现对成像物体快速稳定且高对比度的相位检测,因此在生物显微成像领域得到了广泛的应用。传统TIE相位恢... 详细信息

基于强度传播方程(transport of intensity equation,TIE)的相位恢复技术是一种非干涉、非迭代、测量环境简易的相位成像方法,可以实现对成像物体快速稳定且高对比度的相位检测,因此在生物显微成像领域得到了广泛的应用。传统TIE相位恢复技术由于至少需要通过移动三次物平面或像平面采集过焦、在焦和欠焦总共三幅强度图像,进而导致其无法实现实时相位成像。为了实现高精度低误差的活细胞实时相位成像,本文提出了基于数字视场校正的双目视TIE相位成像技术,其不仅克服了传统TIE相位成像技术无法实时成像的缺点,而且补偿了双目视场相位成像技术中存在的双视场失配误差,实现了生物细胞实时动态相位测量。本文具体研究工作和成果如下:(1)本文首先从自由光波场传播方程和亥姆赫兹方程方面进行了理论推导,得到一个不含时的波动方程,再利用光波旁轴近似条件约束和计算得出TIE算法的基本形式。通过研究和分析TIE技术以及对传统TIE相位恢复技术进行实验验证和总结,发现了传统TIE技术在实时相位成像上的不足,因此本文提出了双目视TIE相位恢复算法及基于快速傅里叶变换方法求解双目视TIE相位方法。模拟了不同噪声情况下,双目视TIE算法求解血红细胞的相位分布,其高精度的相位恢复结果表明双目视TIE技术在实时相位成像中有着良好的实用价值。(2)为了发挥TIE技术在商业显微镜应用上的相位成像实时价值,我们对光学显微镜进行了改装,主要在双目镜筒上安装两个型号规格一致的图像传感器,同时在其中一个目镜筒上加装铜制垫圈使得波前产生一定的相位延迟,进一步可以通过单次曝光同时采集到两幅离焦强度图像用于双目视TIE相位恢复计算。但是,在实验中通过双目镜采集的两幅图像之间会存在旋转、缩放和平移误差,这些误差会导致相位恢复不准确。为了校准双视场间的旋转、缩放和平移误差,本文提出了基于相位相关的数字视场校正TIE实时相位成像技术,从数字模拟和实验角度对该相位成像技术进行了计算和验证,通过校正算法和双目视TIE算法分别对分辨率板、随机相位板和人血涂片进行实验测量,校准后的结果与参考标准基本一致,由此证明了视场校正算法能精确校正视场间存在的误差,同时表明数字校正双目视场TIE实时相位成像技术能够在活细胞相位检测中成功应用,丰富了活细胞实时相位成像方法。(3)考虑到数字视场校正双目视TIE实时相位成像技术可以直接应用于生物显微成像系统,因此本文应用该改进后的双目视TIE相位成像技术对多种细胞进行了实验测量。在活细胞BHK21和F81中添加ATP试剂和葡萄糖试剂并实时采集细胞相位信息,根据时间相关和均方根相位原理分析对比了有无ATP情况下细胞膜振动的频率和幅度变化。细胞在添加ATP下相位波动更加剧烈,充分证明了ATP试剂可以促进对细胞膜的振动调节,进一步证明了数字校正的双目视场TIE技术在活细胞相位成像上有着非常有价值的应用前景。本文主要在双目视TIE相位显微的基础上,通过对显微镜简单改装并对双目视场进行了数字校正,将改进的双目视TIE技术成功地应用于活细胞动态成像,进一步分析了几种活细胞的振动现象。考虑到改进的双目视TIE技术摆脱了传统TIE技术的局限性,有着明显的速度优势,因此可为生物医学细胞实验的研究提供一种新的实用方法。

关键词：强度传播方程实时活细胞相位成像计算成像技术数字图像处理

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多孔径成像系统图像超分辨技术研究

多孔径成像系统图像超分辨技术研究

作者：解放哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

大视场高分辨率成像一直是光学工程研究人员关注的重要问题。设计一种高分辨率大视场光学系统往往难度较高,即便能够实现,其系统复杂程度和几何尺寸也会大大提升。计算成像技术的兴起逐渐打破了传统光学系统大视场与高分辨率不可兼得的... 详细信息

大视场高分辨率成像一直是光学工程研究人员关注的重要问题。设计一种高分辨率大视场光学系统往往难度较高,即便能够实现,其系统复杂程度和几何尺寸也会大大提升。计算成像技术的兴起逐渐打破了传统光学系统大视场与高分辨率不可兼得的这一矛盾。其中多孔径成像系统依靠对多幅子图像的拼接,可以有效的获得较大的视场,但像素级的拼接往往浪费了各个子孔径之间的混叠信息,这些信息有助于实现图像分辨率的提高。因此,应用图像超分辨技术对多孔径系统中的混叠信息加以合理的利用,可在大视场成像的基础上实现分辨率的提升。多孔径成像系统的图像超分辨技术突破了传统光学设计的局限性,具有重要的研究意义。围绕多孔径成像系统图像超分辨技术,本文主要包括以下几个方面:在多孔径成像系统图像超分辨的理论分析方面,得出子图像达到亚像素级精度的图像配准是实现图像超分辨重构关键。多孔径成像系统图像超分辨的关键技术包含了图像配准,建立图像变换模型,图像重采样三个方面,本文通过分析现有的各种关键技术,在比较这几种技术应用在多孔径系统上的优劣性的基础上,建立了一套多孔径成像系统图像超分辨算法流程。通过分析实际的多孔径棱镜成像系统,本文应用了基于光线追迹的物像空间转换方法,应用该方法可实现良好的子图像畸变矫正,并将此概念与SIFT特征提取算法相结合,在实际的应用上,实现了多孔径棱镜成像系统全视场的拼接。在上述工作的基础上,针对多孔径棱镜系统子图像之间形变较大,整体特征不符合某一确定变换模型的特性,设计了一种区域-特征联合化多孔径图像配准算法,并将此算法应用于实际应用。最后对该算法进行分析讨论,发现该算法有效地达到了各个子图像之间亚像素级别的拼接,并通过图像重采样得出了最终重构结果,与采集图像相比,重构图像具有更高的分辨率。

关键词：计算成像技术多孔径光学多通道数字图像处理图像超分辨技术图像配准技术

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便携式多功能光学显微检测系统

便携式多功能光学显微检测系统

作者：孟鑫江南大学

学位级别：硕士

光学检测技术是指利用光学的方法,对物质及其结构进行测量、计算。这些基于光学原理的检测中,有些是非直接成像方法,另一部分为直接成像的方法,例如明场成像、荧光成像与相位成像。然而实现这些检测手段的仪器、设备大多笨重并且昂贵,... 详细信息

光学检测技术是指利用光学的方法,对物质及其结构进行测量、计算。这些基于光学原理的检测中,有些是非直接成像方法,另一部分为直接成像的方法,例如明场成像、荧光成像与相位成像。然而实现这些检测手段的仪器、设备大多笨重并且昂贵,检测过程耗时较长,无法满足即时检测(point of care testing)的要求。即时检测是指在需要接受医疗诊断的患者身边第一时间的检测,拥有许多优势,如能够快速得到结果,并且使用简单,成本低廉。为了能够满足即时检测的需要,研究者们结合不同光学检测技术开发了许多小型化平台。本文的研究目标是开发一种能够实现快捷定量相位恢复的小型化显微检测系统。本文首先了介绍小型化光学显微系统的设计。由于光强传输方程法(TIE)这种相位恢复方法具有采集图像直观、光源相干性要求低、恢复速度快等优点,被选择为系统的相位恢复手段。通过搭建具有拍摄样品不同焦平面图像能力的显微系统,来满足TIE相位恢复的要求。系统利用廉价的LED作为光源,通过物镜与目镜将样品图像进行放大,智能手机作为图像采集设备,系统能够采集到样品的放大图像。利用软件中调整焦距的功能,无需机械移动即可获得光学离焦的样品图像。在确定了各组件的结构位置后,通过合作设计并制造了3D打印外壳,能够将光学部件整合于能够单手握持的系统之中,便于携带。根据基于快速傅里叶变换的TIE求解方法,编写了相位恢复程序,并合作开发了基于安卓系统的应用程序软件和基于电脑端的程序。利用安卓应用程序可以方便地在手机上读取拍摄的样品图像,并在输入参数后快速计算得出样品的相位分布,使得检测过程大大便捷化。为了确保相位恢复的可靠性,将手机软件的焦距值与样品实际移动距离相对应,本文对系统的离焦距离进行了标定。为了验证系统的准确性,我们测试了随机相位板的相位,并与通过原子力显微镜测量的结果计算的相位相对比,其结果相一致。结合误差分析,验证了系统相位恢复结果的准确性。接着利用系统检测了血红细胞涂片的相位,并利用数字形态学处理得到了细胞例如面积、体积、圆率等统计数据,利用这些数据能够进一步分析细胞的健康状态。最后利用系统测量了其他几种生物样品的相位分布,进一步验证了系统的相位恢复能力。本文设计了小型化定量相位检测系统,该系统体积较小,相对商用显微镜价格低廉,操作快速、简单,不仅能够得到明场显微图像,恢复样品的相位信息,还能统计出细胞的形态数据。该系统能够满足即时检测的要求,不仅能够为医疗人员实施床旁检测提供一种快速的分析手段,还由于其便于携带、廉价的特点能广泛地应用在贫穷边远的地区的医疗检测中。

关键词：强度传播方程定量相位成像小型化系统计算成像技术

基于强度传播方程的生物细胞定量相位恢复技术

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基于强度传播方程的生物细胞定量相位恢复技术

作者：田晓琳江南大学

学位级别：硕士

目前,光学显微成像技术在生物医学研究领域已经获得了快速的发展和广泛的应用,对于生命体的不同器官,不同组织,不同细胞或者大分子的观察和检测,一般有不同的要求,往往涉及使用到不同的显微技术。随着生命科学的不断发展,其对光学显微... 详细信息

目前,光学显微成像技术在生物医学研究领域已经获得了快速的发展和广泛的应用,对于生命体的不同器官,不同组织,不同细胞或者大分子的观察和检测,一般有不同的要求,往往涉及使用到不同的显微技术。随着生命科学的不断发展,其对光学显微成像技术提出了越来越高的要求。在传统显微成像技术如基于强度成像的明场显微技术,暗场显微技术以及荧光显微技术,基于相位调制的相衬显微技术和微分干涉相衬显微技术无法满足无色透明生物细胞定量相位测量的要求时,国内外学者研究并提出了多种能够实现定量相位成像的显微技术如基于干涉的定量干涉显微技术和数字全息,基于迭代算法的G-S算法,PIE成像技术。而相对于这些方法而言,基于强度传播方程的定量相位成像技术(TIE)因其诸多优势获得了越来越多的科研工作者的关注,使得该方法在近些年得到了快速发展和广泛应用。本文从发展历程,国内外研究现状和TIE方程的推导过程以及傅里叶变换求解方法对基于强度传播方程的定量相位成像技术进行了比较详细地论述,并重点研究了基于TIE的实时定量相位成像方法。传统TIE成像技术一般是通过图像探测器z轴扫描的方法采集不同离焦距离的强度图,该方法不仅实际操作起来上比较麻烦而且费时,无法实现实时相位成像。针对传统TIE成像技术的不足之处,本文着重研究并提出了两种基于TIE成像技术的实时定量相位成像技术,即双目视TIE成像技术和基于单次曝光的TIE成像技术,这两种方法可以克服传统TIE技术的缺点,实现生物活细胞实时相位测量,扩大了TIE相位成像技术在生命科学和医学领域的应用范围。双目视TIE成像系统通过在传统倒置显微镜的两个目镜筒上安装规格完全相同的两个CCD探测器来采集过焦和欠焦强度图,因为在焦强度图可以通过计算过焦强度图和欠焦强度图的平均值近似得出,所以该方法可以实现实时相位成像。双目视TIE的新颖之处在于巧妙地结合了传统倒置显微镜的结构特点,然后通过优化算法实现了实时TIE相位成像。本文通过数值模拟和实验验证证明了该方法的可行性和精确性。基于单次曝光的实时定量TIE成像技术主要在倒置显微镜的C口处搭建4f系统,然后通过编码相位掩膜板加载到空间光调制器(SLM)上实现光束分光和调焦,实现在同一个CCD芯片上实时采集三幅强度图,该方法具有更加的灵活性,且更精确地实现了实时TIE相位成像技术。本文所提出的基于TIE技术的实时相位成像方法可以扩展TIE成像技术在生物医学活细胞动态检测领域的应用范围,为实现实时定量相位测量提供了更加有效和灵活的方法。

关键词：强度传播方程实时相位成像活细胞成像计算成像技术