数字全息显微镜的轴向定位及应用
发布时间：2021-05-05 20:31
数字全息显微镜（DHM）具有无需荧光标记、视野深度宽、高通量、适合不规则和各类材质物体等特点,能够对多个微尺度样品实现实时的三维观测,非常适合观测微小颗粒、微生物及细胞的三维动态行为。然而,不同的微观应用场景下,诸如纳米颗粒、细菌及细胞等样品的三维运动具有不同的特点,因而对DHM的三维定位尤其是光轴方向定位的工作距离和定位精度有着不同的要求。针对同轴型DHM,目前对微尺度物体的轴向定位主要基于三维光场的数值重建,观测范围（深度）一般在几十到上百微米之间,轴向定位精度则普遍在微米尺度左右甚至以上。为了提升轴向定位的精度和速度,使DHM能更准确、快速地观测微粒、微生物和细胞等待测对象的三维运动,我们在DHM中分别引入了基于数值重建的高斯轴向拟合算法以及基于图像特征（光强和干涉环尺寸）的轴向定位算法,并讨论了不同的记录条件和对象（微粒和细菌）下影响算法轴向定位精度的主要因素。同时,我们基于这些讨论,将DHM及其定位算法进一步用在大肠杆菌的轴向定位和人体精子三维运动的观测中。这些工作为基于DHM的三维定位精度优化提供了参考数据和理论指导,并进一步拓展了该技术的应用。本论文的主要内容如下:（1）...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 数字全息显微镜(DHM)
1.1 引言
1.2 DHM的基本理论
1.2.1 发展历程
1.2.2 仪器构造
1.2.3 背景扣减
1.2.4 数值重建
1.2.5 三维定位
1.2.6 定位精度
1.2.7 三维轮廓的重建
1.2.8 DHM的最小分辨尺寸及时间分辨率
1.3 DHM的应用
1.3.1 分析微生物的环境响应行为
1.3.2 分析微生物与表面的相互作用
1.3.3 分析细胞的形态变化和运动规律
1.3.4 分析颗粒的三维运动及流场
1.4 论文的主要内容
第二章 基于数值重建的轴向定位及优化算法
2.1 引言
2.2 仪器与实验方法
2.2.1 仪器和样品
2.2.2 显微制样
2.2.3 全息图和背景图的记录
2.2.4 三维定位和轴向定位精度
2.3 基于高斯函数拟合的轴向定位
2.4 结果和讨论
2.4.1 记录条件的优化对系统轴向定位精度的提升
2.4.2 高斯拟合轴向光学分布对轴向定位的优化
2.4.3 同轴DHM对不同样品轴向定位的最优精度
2.5 本章小结
第三章 基于全息图干涉环光强的轴向定位算法
3.1 引言
3.2 基于图像光强的轴向定位算法
3.2.1 全息图和背景图的记录
3.2.2 三维定位
3.2.3 轴向定位精度的表征
3.3 结果和讨论
3.3.1 工作曲线的标定
3.3.2 光源波长和入射光强度对算法轴向定位精度的影响
3.4 本章小结
第四章 基于图像尺寸的轴向定位算法
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 基于图像尺寸的轴向定位
4.2.2 轴向定位精度
4.3 结果和讨论
4.3.1 PLPs图像特征尺寸的选取和提取
4.3.2 提取全息图中大肠杆菌的一阶干涉暗环直径
4.3.3 工作曲线的标定
4.3.4 图像尺寸定位算法对PLPs和细菌的轴向定位精度
4.4 本章小结
第五章 DHM在人体精子三维动态行为观测中的应用
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 表面的制备和表征
5.2.2 人体精子样品的显微制样
5.2.3 利用DHM观测人体精子的三维动态行为
5.2.4 人体精子运动参数测定
5.2.5 统计分析
5.3 结果和讨论
5.3.1 表面表征
5.3.2 三维运动轨迹
5.3.3 三维运动取向分布
5.3.4 三维运动速度分布
5.3.5 密度分布
5.3.6 三维运动模式
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]3D真的来了吗？——三维结构光传感器漫谈[J]. 左超,张晓磊,胡岩,尹维,沈德同,钟锦鑫,郑晶,陈钱. 红外与激光工程. 2020(03)
本文编号：3170539
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 数字全息显微镜(DHM)
1.1 引言
1.2 DHM的基本理论
1.2.1 发展历程
1.2.2 仪器构造
1.2.3 背景扣减
1.2.4 数值重建
1.2.5 三维定位
1.2.6 定位精度
1.2.7 三维轮廓的重建
1.2.8 DHM的最小分辨尺寸及时间分辨率
1.3 DHM的应用
1.3.1 分析微生物的环境响应行为
1.3.2 分析微生物与表面的相互作用
1.3.3 分析细胞的形态变化和运动规律
1.3.4 分析颗粒的三维运动及流场
1.4 论文的主要内容
第二章 基于数值重建的轴向定位及优化算法
2.1 引言
2.2 仪器与实验方法
2.2.1 仪器和样品
2.2.2 显微制样
2.2.3 全息图和背景图的记录
2.2.4 三维定位和轴向定位精度
2.3 基于高斯函数拟合的轴向定位
2.4 结果和讨论
2.4.1 记录条件的优化对系统轴向定位精度的提升
2.4.2 高斯拟合轴向光学分布对轴向定位的优化
2.4.3 同轴DHM对不同样品轴向定位的最优精度
2.5 本章小结
第三章 基于全息图干涉环光强的轴向定位算法
3.1 引言
3.2 基于图像光强的轴向定位算法
3.2.1 全息图和背景图的记录
3.2.2 三维定位
3.2.3 轴向定位精度的表征
3.3 结果和讨论
3.3.1 工作曲线的标定
3.3.2 光源波长和入射光强度对算法轴向定位精度的影响
3.4 本章小结
第四章 基于图像尺寸的轴向定位算法
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 基于图像尺寸的轴向定位
4.2.2 轴向定位精度
4.3 结果和讨论
4.3.1 PLPs图像特征尺寸的选取和提取
4.3.2 提取全息图中大肠杆菌的一阶干涉暗环直径
4.3.3 工作曲线的标定
4.3.4 图像尺寸定位算法对PLPs和细菌的轴向定位精度
4.4 本章小结
第五章 DHM在人体精子三维动态行为观测中的应用
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 表面的制备和表征
5.2.2 人体精子样品的显微制样
5.2.3 利用DHM观测人体精子的三维动态行为
5.2.4 人体精子运动参数测定
5.2.5 统计分析
5.3 结果和讨论
5.3.1 表面表征
5.3.2 三维运动轨迹
5.3.3 三维运动取向分布
5.3.4 三维运动速度分布
5.3.5 密度分布
5.3.6 三维运动模式
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]3D真的来了吗？——三维结构光传感器漫谈[J]. 左超,张晓磊,胡岩,尹维,沈德同,钟锦鑫,郑晶,陈钱. 红外与激光工程. 2020(03)
本文编号：3170539
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3170539.html
