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物理学报 2019年第10期68卷 99-104页

作者：汤明玉武梦婷臧瑞环荣腾达杜艳丽马凤英段智勇弓巧侠郑州大学物理工程学院郑州450001

菲涅尔非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography, FINCH)通过空间光调制器(spatial light modulator, SLM)将来自物点的光波分解为曲率半径不同的两束自相干光,干涉条纹由CCD记录.由于受限于SLM与CCD的像素数目及... 详细信息

菲涅尔非相干相关全息术(Fresnel incoherent correlation holography, FINCH)通过空间光调制器(spatial light modulator, SLM)将来自物点的光波分解为曲率半径不同的两束自相干光,干涉条纹由CCD记录.由于受限于SLM与CCD的像素数目及像素尺寸, FINCH技术与光学全息术相比记录视场要小得多.本文通过对FINCH系统的记录过程进行理论分析,给出了SLM所能记录的视场角,说明通过调控加载在SLM上的双透镜光轴中心,能够扩大SLM的有效直径从而将SLM的有效记录范围增大2.77倍,有效扩大了系统的记录视场.搭建了非相干光反射式数字全息记录系统并对理论分析进行了实验验证,结果表明:在SLM上依次加载不同光轴中心位置的双透镜掩模进行FINCH记录及再现,将得到的各子图像拼接融合可以得到高分辨率大视场图像,为菲涅尔非相干全息术在高分辨大视场显微成像的进一步应用提供了有力支撑.

关键词：非相干数字全息术空间光调制器成像视场视场拼接

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菲涅尔非相干数字全息大视场及实时动态记录研究

菲涅尔非相干数字全息大视场及实时动态记录研究

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作者：汤明玉郑州大学

学位级别：硕士

菲涅耳非相干相关全息（Fresnel incoherent correlation holography,FINCH）系统采用非相干光照明记录菲涅耳全息图。FINCH技术最显著的优点在于能够快速对三维物体进行成像,并且大量研究结果表明该系统具有较高的成像分辨率。目前,FI... 详细信息

菲涅耳非相干相关全息（Fresnel incoherent correlation holography,FINCH）系统采用非相干光照明记录菲涅耳全息图。FINCH技术最显著的优点在于能够快速对三维物体进行成像,并且大量研究结果表明该系统具有较高的成像分辨率。目前,FINCH已经成为光学成像的一个重要工具,尤其是在生物显微成像方面。但由于受到空间光调制器（spatial light modulator,SLM）以及图像传感器（CCD、CMOS）的像素数和像素尺寸的限制,FINCH系统的记录视场相比于传统的光学全息成像要小很多,因此限制了FINCH技术在面对较大范围成像时的适应能力,所以扩大FINCH技术的记录视场尤为重要。本文基于对FINCH系统的记录原理及SLM有效孔径的理论分析,设计了一种大视场掩模,通过搭建实验光路并利用计算机的简单控制,有效扩大了FINCH系统的记录视场。另一方面,FINCH的光路配置为共路同轴的干涉系统,所以至少需要进行两次全息图的记录,并采用相移法去除零级像和孪生像来获得最终的复值全息图,该方法不适合对活细胞进行观察或记录快速移动的物体,因此基于FINCH系统的单次曝光技术应运而生。本文着重研究了基于FINCH系统的实时动态成像方法,具体分析了一种在SLM上分区域加载相位掩模实现单次曝光记录方法的原理,并通过数值模拟仿真和实验验证了本研究方法的可靠性。针对进一步推动非相干数字全息（incoherent digital holography,IDH）技术在实时显微成像方面的发展和应用,本文的主要研究内容具体如下:（1）介绍了非相干数字全息技术的提出和发展过程,以及FINCH系统的提出与国内外研究现状,分析了FINCH系统在大视场成像和单次曝光成像方面的研究背景。（2）对FINCH系统的记录与再现过程进行了理论推导,首先给出了SLM的特征函数方程式,接着计算了系统的点扩散函数（point spread function,PSF）并给出了全息图的表达式,然后利用相移线性叠加公式获取复值全息图,最后讨论了几种全息图的再现方法,重点介绍了角谱衍射算法的重建过程;另外,介绍了FINCH系统的光路设置,以及各个光学元件的参数和作用,通过模拟成像和实验探究了该系统的三维全息成像特性。（3）分析了影响FINCH系统记录视场的相关因素,给出了SLM的有效记录的视场角,设计了不同双透镜光轴中心位置的大视场掩模,利用计算机调控加载在SLM上的相位掩模,有效扩大了SLM的记录孔径。并通过实验记录了不同视场下的全息图,将各个全息图进行再现、拼接处理后得到大视场再现像,实验结果说明了采用本方法可以有效扩大记录视场,并且不会影响FINCH系统的分辨率。（4）介绍了基于FINCH系统的三光轴单次曝光方法,并对比了所提出的方法与平形相移方法的区别与所占的优势,本文所研究的实时成像方法主要利用了SLM的可分区域的加载方式,将SLM等分为三个区间并分别加载上不同相移角度的双透镜掩模,通过单次拍摄获取包含三幅不同相位子全息图的复合全息图,经过三步相移线性叠加和角谱衍射法进行数据处理后获得清晰的再现像。在计算机上对单次曝光全息记录过程进行了模拟仿真,并设计搭建了实验光路记录了旋转骰子的动态视频,实验结果充分证实了单次曝光方法具有实时动态成像的能力。

关键词：非相干数字全息术菲涅尔非相干相关全息术空间光调制器大视场单次曝光

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基于非相干数字全息的生物医学成像研究

基于非相干数字全息的生物医学成像研究

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作者：王茜郑州大学

学位级别：硕士

三维光学成像技术作为当代医学检测的有效手段,在生物样本诊断中具有重要应用。其中数字全息作为一种定量、无标记、三维成像技术为医学生物样本的研究提供了一种简单而高效的方法。尤其是非相干数字全息技术摆脱了对高相干性光源的依赖... 详细信息

三维光学成像技术作为当代医学检测的有效手段,在生物样本诊断中具有重要应用。其中数字全息作为一种定量、无标记、三维成像技术为医学生物样本的研究提供了一种简单而高效的方法。尤其是非相干数字全息技术摆脱了对高相干性光源的依赖,在生物医学成像领域的应用潜力巨大。而光谱作为物质本身的一种固有属性,能够对样本进行精准的检测和识别。利用液晶可调滤波器(Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF)对非相干数字全息系统的入射光进行调制,可以实现生物样本的光谱分析。除此之外,边缘作为生物细胞区域易发生显著变化的地方,能精确描述生物细胞的轮廓、结构等特征。将螺旋相位调制技术引入非相干数字全息中,实现生物样本的边缘增强成像。本文主要研究非相干数字全息在生物医学方面的应用,包括采用菲涅尔非相干相关全息技术(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)实现生物组织高精度光谱图像,获取样本表面任意一点的光谱曲线,同时将螺旋相位调制技术引入到基于迈克尔逊干涉仪的非相干数字全息系统中,实现高分辨率、高对比度的生物样本边缘增强成像。主要内容包括以下三个方面:1.研究FINCH技术与基于迈克尔逊干涉仪的非相干数字全息技术成像原理及成像特性。采用USAF1951分辨率板对这两种非相干数字全息系统的成像分辨率进行标定;结合显微成像技术,以生物组织为待测样本,进一步验证这两种非相干数字全息技术在生物医学领域中的成像应用。2.将FINCH显微成像技术与光谱技术相结合,在FINCH光路中引入LCTF,推导系统的点扩散函数,分析系统横向放大率与波长的相关性。采用三维振幅型物体和动植物细胞作为待测样本,对其进行三维全息记录的同时,提取表面任意一点的光谱曲线,实现光谱信息的高精度获取。采用色度理论分析计算,进一步获取具有三维信息的生物组织光谱融合图像,为生物光谱检测提供了一种新途径。3.分析螺旋相位FINCH系统的基本成像原理,以USAF1951分辨率板和生物组织作为检测样本进行边缘增强成像实验,实现生物样本边缘的有效检测;对基于迈克尔逊干涉仪的非相干数字全息技术进行改进,引入空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)实现对入射光的涡旋调制;分析螺旋相位调制迈克尔逊非相干数字全息系统的成像原理,对点扩散函数进行理论推导、数值模拟及实验验证。采用USAF1951分辨率板作为待测样本,分析三步相移技术和广义相移技术对迈克尔逊非相干数字全息系统成像分辨率的影响;与螺旋相位FINCH系统边缘成像结果对比,研究该系统边缘增强成像可见度的改善情况;结合显微技术,实现生物组织、划痕玻璃板边缘增强成像,为生物医学样本成像和工业检测提供新途径。

关键词：非相干数字全息术迈克尔逊干涉仪光谱成像边缘增强成像

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