预放大离轴菲涅耳数字全息显微技术

预放大离轴全息方法引入了高数值孔径显微物镜,放大了物体的精细结构,使得全息图的信息量更容易与CCD的抽样能力相匹配,与同轴全息显微技术相比,只需拍摄一张全息图,操作简单,具有良好的应用价值.依据全息理论和菲涅耳衍射理论,推导出预放大离轴菲涅耳全息显微系统中CCD记录面的二维光波信息.设计了采用平面光波作为参考光的透射式数字全息显微系统,并对系统分辨率进行了分析.利用该系统对新鲜的洋葱细胞样本和百合的茎细胞样本进行了实验研究,得到了其高分辨率的再现像.     

像面数字全息显微系统的成像分辨率及成像特点

为了实现高质量成像,通过对实际的像面数字全息显微系统(IPDHMS)点扩散函数的推导,分析了系统的成像分辨率决定因素及成像特点,给出了相应的实验结果。结果表明,IPDHMS的成像分辨率取决于显微物镜(MO)的成像分辨率和记录器件的像元大小,而与记录器件的光敏面尺寸无关;无论物体被照亮区域有多大,对全息图的记录和再现都没有影响;IPDHMS对成像区域中各点发出的通过MO的各种频率成分均能完整记录与再现,是一种优化的全息成像系统,利用该系统可以实现高质量成像与测量。实验结果证明了理论分析的正确性。     

非相干同轴数字全息显微成像研究

采用非相干光作 为光源,空间 光调制器(SLM)和CCD组成非相干干涉仪作为全息记录模块,结合物镜搭建了非相干同轴数 字全息显微成像 系统。采用该系统对分辨率板成像,实现了512lp/mm的空间分辨率 ,并对系统放大率进行了标定。用草本 植物茎横切细胞作为测试样品,完成了生物细胞显微观察实验,将数字全息显微术的应用范 围从相干光扩展到了非相干光领域,推进非相干数字全息显微术的应用研究。     

预放大相移无透镜傅里叶变换显微数字全息术的研究

利用菲涅耳衍射和全息理论 ,对预放大相移无透镜傅里叶变换显微数字全息术的记录和再现进行详细的理论分析和实验研究。其结果表明 :相移技术可以有效地解决数字全息再现像分离问题 ;预放大方法用透镜可以方便进行显微物体的放大 ;无透镜傅里叶变换全息术不仅可以降低数字全息采样条件的要求 ,而且在相同条件下可以记录物体更多的高频信息 ,上述三种技术的结合将是在目前CCD性能限制的条件下 ,提高显微数字全息再现像分辨率的有效途径。同时 ,也为高质量显微数字全息再现像的获得提供重要参考     

离轴数字全息记录条件的研究

用振幅全息和菲涅耳衍射理论,分析离轴数字全息记录系统结构参数对数字全息再现的影响,并进行相应的实验验证。理论分析和实验研究结果都表明,如果记录物体和CCD的尺寸固定,记录物体和CCD之间的记录距离将直接影响数字全息再现像的分离状况和系统的分辨率,在保证再现像分离的前提下,缩短物体和CCD之间的距离将有利于数字全息再现像分辨率的提高。     

无透镜傅里叶变换数字全息术的特点分析和讨论

利用传统全息的理论 ,分析了无透镜傅里叶变换数字全息记录和再现的方法及其相应的物像关系、记录系统结构参数对再现像分辨率的影响 ,并进行相应的实验验证。理论分析和实验结果都表明 :无透镜傅里叶变换全息术 ,不仅降低了数字全息对记录采样的要求 ,而且使再现像分辨率得到较大的提高。同时 ,在保证再现像分离的前提下 ,通过增大记录系统的数值孔径 (缩短记录物体到CCD和参考点源的距离 ) ,可以实现数字全息再现像分辨率的提高     

反射式同轴非相干数字全息显微成像系统研究

当前,数字全息显微主要采用相干性好的激光作为光源,对设备及环境条件要求较高,且会在全息图中引入大量的散斑噪声和寄生干涉条纹。基于非相干光照明下的数字全息可以很好地解决以上问题。采用非相干光作为光源,空间光调制器和CCD组成非相干干涉仪作为全息记录模块,从波动光学角度分析了该模块的记录及再现原理,给出了系统的点扩展函数、横向放大率和再现距离。采用该模块结合物镜搭建了反射式同轴非相干数字全息显微成像系统。利用该系统对分辨率板成像,获得与传统宽场光学显微镜相当的空间分辨率。对300~500μm单颗粒金刚钻进行全息拍摄,在不同平面实现了数字聚焦。结果表明,该系统可以快速获取微小物体的三维空间信息,在医学检测、材料分析等领域具有广阔的应用前景。     

数字全息显微再现像横纵向尺寸与放大倍数的关系

数字全息显微再现像是物体经过显微物镜之后放 大像的再现,因此,再现像和放大像 的纵向尺寸易被混淆,认为再现像与放大像的纵向尺寸相等。为了辨识再现像的纵向尺寸, 本文分析了数字全息显微再现像的横纵向尺寸与放大倍数的关系。首先根据光学衍射理论, 对再现像的横向尺寸与放大倍数的关系和纵向尺寸与放大倍数的关系进行了理论分析,得到 了数字全息显微再现像的横向尺寸与放大像相同,都被放大Mβ倍,而再现 像的纵向尺寸未 被放大。其次,以测量石英玻璃上刻蚀的圆孔为样本,调整样本与显微物镜的距离,以M β1= 20.29 ,Mβ2= 17.51 和Mβ3= 15.3 三种横向放大倍数进行了数字全息显微实验。 实验结果表明,三个再现像的纵向尺寸近似为570nm, 与被测物纵向尺寸相等,未受放大倍数的影 响。并且相应再现像和放大像的横向尺寸近似相等,最大差值约为0.58 μm。因此,本文从 理论和实验两方面证明了再现像的横向尺寸被放大了Mβ,而再现像的纵向 尺寸等于被测物 的纵向尺寸,不受放大倍数的影响,且可由被测物引入的光程差计算得到。本文的分析对比 为准确计算数字全息显微再现像的横纵向尺寸提供技术 支撑。     

数字全息图再现像的分析计算

用菲涅耳衍射和振幅全息的理论，分析了数字全息的物像关系和再现像的分辨率，并进行相应的数值模拟和实验研究。研究结果表明：数字全息的物像关系与传统振幅全息的物像关系是等同的，当用相同波长的准直光记录和再现数字全息图时。可以得到与原物完全相同的再现像，且再现光入射方向的变化仅使再现像位置发生平移。对其大小没有影响。数字全息的横向分辨率与传统成像光学仪器的分辨本领具有相同的物理意义。其大小主要取决于再现像位置处以CCD尺寸为窗口的衍射极限。模拟计算和实验测量的结果是完全吻合的，但在实际物体的记录中。由于噪声、照明光场的不均匀性、物光衍射光场的调制和CCD动态范围的影响，后者的误差比前者大。     

改善数字全息显微术分辨率的几种方法

从理论和实验上研究了数字全息显微术的分辨率问题。通过分析几种不同数字全息记录光路对记录介质空间分辨率的要求表明,无透镜傅里叶变换全息光路对CCD的空间分辨率要求最低,最能充分利用CCD的带宽;再现像面的空间分辨率在不同方向上的不一致,会导致再现像在空间分辨率高的方向上相对展宽,而在空间分辨率低的方向上相对压缩;再现像的横向分辨率主要由CCD所能记录的物体的最高空间频率决定,它随CCD的尺寸和空间分辨率的提高及记录距离D的减小而提高。给出了消除再现像畸变的方法及实验结果,并提出了3种改善横向分辨率的方法。     

数字全息再现像的细节显示和视觉畸变矫正

在分析数字全息系统的最小分辨距离和再现像平面上的采样间隔的基础上，提出了一种在用菲涅耳变换法再现数字全息图时，能清楚显示再现像细节的简单方法，这种方法能有效地提高再现场的显示分辨率。通过给由CCD记录的数字全息图补零，可使再现像平面上采样间隔减小，使再现像具有更多的像素，得到保留了更多记录信息的高质量再现像。用同样的方法，也可以矫正由于CCD靶面尺寸在水平和竖直方向上的不一致造成再现像的视觉畸变。实验结果表明此方法有很好的效果。     

多参考光合成孔径DMIPH术的细胞相位重构

为了克服传统光学显微术无法直接提取相位信息的不足而能更准确记录物体高频和低频信息的合成,采用多参考光合成孔径数字显微像面全息系统,并结合角谱算法和最小二乘解包裹算法实现了细胞的相位重构。选取活体细胞组织等相位型生物进行作为实验样本,对其进行定量观察和有效测量。结果表明,多参考光合成孔径数字显微像面全息系统可以有效地应用于3维物体显微结构的振幅和相位重构,能显著地提高记录系统的高频和低频信息在全息图上的合成度,并实现超出系统的衍射极限12.8lp/mm的分辨率。该系统可以有效地实现数字全息系统的超分辨率成像,从而获得细胞显微结构的3维形貌信息和准确的相位分布。     

彩色数字全息波前重建算法概论

基于单色CCD记录彩色数字全息图的光学系统及衍射的数值计算理论,综合评述彩色数字全息波前重建的常用算法。对一种只适用于静态物理量检测的波前重建算法做了重要改进,不但消除了频谱混叠对重建光波场的影响,而且让该重建算法适用于动态物理量的实时数字全息检测。并将研究工作推广于彩色CCD记录彩色数字全息图的光学系统,给出了三色光照明下重建物体彩色图像的实例。     

2.52THz离轴数字全息成像和焦平面成像特性比较

利用已搭建的2.52THz焦平面成像装置和离轴数字全息装置,通过分辨率测量和水印及铅笔字成像,研究了焦平面成像和离轴数字全息成像这两种面阵成像的性能。实验证明,常规的焦平面成像由于太赫兹波长较长,很难获得较高的成像分辨率,且成像效果受放置位置的影响严重;太赫兹离轴数字全息成像可以提高成像分辨率,但成像物体大小受系统分辨率制约;焦平面成像较离轴面阵数字全息成像更适于大目标低分辨率成像。     

合成孔径数字全息的记录、再现及实现

介绍了合成孔径数字全息记录和再现的基本原理，提出了相应的实现方法和技术方案。特别对合成孔径数字全息再现中的两类方法：用单参考光记录的子全息图数字再现光场复振幅叠加或强度叠加，以及用多参考光记录的子全息图数字再现光场复振幅叠加或强度叠加方法进行了详细理论分析和实验研究。结果表明，合成孔径技术是一种提高数字全息再现像的分辨率的有效方法。与传统的子全息图直接拼接的合成孔径数字全息再现方法相比，用子数字全息图再现光场复振幅叠加或强度叠加两种再现方法均可实现合成孔径数字全息的再现，并可显著提高再现像的分辨率，但强度叠加方法的记录和再现难度远小于前者。在实际中可以根据解决问题的要求和子数字全息图的记录情况选用。     

连续太赫兹波合成孔径数字全息成像方法

太赫兹波数字全息成像技术结合了太赫兹成像技术和数字全息成像技术的优势,是一种新型相衬成像技术,具有光源相干性要求低、光路结构简单、实时定量获取物光波复振幅信息等特点,非常适用于太赫兹波段成像。影响数字全息成像技术分辨力的因素有多种,其中一个主要因素是探测器靶面尺寸的大小,因此,提出合成孔径方法扩大探测器靶面尺寸,提高太赫兹数字全息的成像分辨力。文中搭建了连续太赫兹波同轴数字全息成像装置,获取了样品高质量、高分辨力的振幅和相衬图像。实验结果有效说明了合成孔径方法可以提高太赫兹数字全息成像分辨力。