干涉显微细胞相位快速恢复方法及成像技术的研究

发布时间：2017-08-03 20:14

  本文关键词：干涉显微细胞相位快速恢复方法及成像技术的研究

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【摘要】：细胞是生命体结构和功能活动的基本单位,其形态结构特征和内部组成成分决定了它的健康状态、功能和活动等等,这些都与生命科学中遗传、疾病、免疫与康复等密切相关。细胞的研究,尤其是内部结构和动力学行为的分析有赖于显微技术的水平。传统的显微镜已无法满足生命科学研究的要求,发展新的显微成像方法与技术用于实现细胞原态、无损、超快、精密、动态的显微成像是生命科学研究的迫切需求,也一直是研究员们长期追求的研究目标。定量相位显微成像技术凭借免染色、非侵入、无损伤、可定量化等优势,成为生物细胞显微成像非常有利的工具。近十几年来,研究员们相继提出了许多先进的定量相位成像技术,并成功用于细胞相位成像、类别识别、参数测量以及动力学行为分析等应用领域。大部分定量相位成像技术都是基于光波干涉原理,通常包括干涉图样采集、相位信息恢复以及可能需要的相位解包这几个过程,其中相位恢复技术主要决定着相位成像的质量、速度和精确度,因此相位恢复方法及其成像技术的研究具有极其重要的意义。本课题组通过系统查阅相关资料发现在相位恢复技术中尚有一些问题有待积极开展研究。诸如第一：在广义相移干涉相位恢复中相移π奇点问题；第二：兼容提高恢复处理速度及探测器空间带宽的问题；第三：在应用方面上存在着较多的限制条件。对此,本文以国家级、省级等多个项目为支撑,主要围绕相位恢复方法及其成像技术的不足和技术发展要求开展了系统性的基础理论及其关键应用技术的研究,并取得了预期效果,主要成果如下：(1)系统分析了目前各类典型相位成像的技术特征及其技术下的典型相位恢复方法特征,包括相移获取方法。找出了两步相移干涉中π相移奇点的成因,提出了在满足物光波与参考光波强度相等的情况下,通过数值计算两干涉图样的和与差可解决π相移奇点的方法,并给出了相位恢复的代数方法以及该方法的模拟验证。(2)针对干涉显微技术中一些传统相位恢复方法存在限制条件多、相移检测精度不够高、相位恢复处理速度不够快等问题,基于局部微分算子的灵敏特性和数值计算能力,分别提出了适用于所有载频干涉和任意记录模式下两步相移干涉的新型相位恢复方法,并且得到了仿真实验和光学实验的验证,这些方法可有效地解决上述的问题。此外,还提出了利用相位梯度粗略估计细胞形态信息的方法,其中非均质亚类白细胞的相位梯度结果表明了该方法的有效性,以及用于细胞类别识别的可行性。(3)针对干涉显微技术中噪声的存在,结合三步相移干涉,提出了抗噪声的矩阵二范数运算相移确定方法。该方法易于执行,对噪声不敏感,只需计算每两干涉图样强度差的二范数,无需计算其他物理量,降低了成像要求。针对二范数相移获取运算需满足条纹数目大于1的限制条件,提出了类一矩阵范数运算的相移确定方法,以及利用相移差为π的两干涉图样消除背景光强的方法。这些方法得到了仿真实验和光学实验的验证,结果表明了他们的有效性以及精确性。(4)通过对衍射相位场统计平均特性的分析,提出了在两步或是更多步相移干涉下利用统计平均运算和两干涉光波之间空间频率关系特征的相移拓展测量方法。该相移可以是完整周期(0,2π)内除奇点π外的任何值,从而真正实现了广义相移干涉,降低了对相移器精度和成像条件的要求。均质红细胞的定量相位模拟结果和聚苯乙烯小球的实验结果说明了该方法在理想以及噪声环境下的高性能。(5)基于本文在理论上的研究成果,依据所提及的相位恢复方法对成像实验的技术要求,开展了关键技术的设计研究。特别是提出了在单个探测器下利用两个相同侧向位移分束镜和在两个探测器下利用多个普通分束镜分别来实现的瞬时两步相移成像方法。考虑到相位成像系统的稳定性,本文提出了利用光栅衍射0级先后与+1级和-1级衍射光相干涉的两步衍射相位成像方法。该成像方法不仅保留了传统衍射相位显微技术高稳定和实时测量的优势,还拓展了其适用范围,提高了相位恢复的精度。本文的研究工作不仅仅从理论上取得了一些突破,而且从实验上也得到了支撑,为实现细胞快速成像和实时测量提供了更多的选择,也为细胞更深入的定量检测研究提供了参考。
【关键词】：生物细胞 干涉相位成像 相位恢复方法 相移获取 关键技术
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q2-33;TH742
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-40
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.2 定量相位显微成像技术的研究现状16-33
• 1.2.1 强度分析法下的相位显微成像技术16-18
• 1.2.2 相位调制下的相位显微成像技术18-31
• 1.2.3 层析相位显微成像技术31-33
• 1.3 相位恢复方法研究现状简介33-37
• 1.3.1 相移测量法33-36
• 1.3.2 载波频域测量法36-37
• 1.4 本论文的研究目的和主要研究内容37-40
• 1.4.1 本论文的研究目的37-38
• 1.4.2 本论文的研究内容38-40
• 第二章 相移干涉显微成像及其π相移问题的解决40-60
• 2.1 干涉显微定量相位成像原理40-42
• 2.1.1 干涉显微成像基本理论40-41
• 2.1.2 干涉记录模式41-42
• 2.2 相移干涉显微成像基本原理42-54
• 2.2.1 相移干涉原理42-43
• 2.2.2 相移干涉下的典型相位恢复方法43-50
• 2.2.3 相移量的典型获取方法50-54
• 2.3 两步相移下相移量为π的代数相位恢复方法54-59
• 2.3.1 π相移问题及其解决方法54-55
• 2.3.2 数值模拟与讨论55-59
• 2.4 本章小结59-60
• 第三章 离轴干涉下的快速微分相位提取方法及其应用60-75
• 3.1 传统微分相位恢复方法基本理论60-62
• 3.2 新型微分相位恢复方法62-71
• 3.2.1 基本理论62-64
• 3.2.2 微小球数值模拟与方法验证64-65
• 3.2.3 典型血细胞数值仿真实验65-68
• 3.2.4 细胞相位梯度形态估算法68-71
• 3.3 新型微分相位恢复方法实验验证71-73
• 3.3.1 完全离轴干涉下的均质红细胞71-72
• 3.3.2 微离轴干涉下的皮肤癌细胞72-73
• 3.4 本章小结73-75
• 第四章 两步相移干涉下的微分相位提取方法及其应用75-94
• 4.1 两步相移干涉下微分相位提取方法的基本理论75-77
• 4.2 已知相移在不同干涉记录模式下的相位恢复方法77-81
• 4.2.1 红细胞的数值仿真实验及其讨论77-79
• 4.2.2 海拉细胞的数值仿真实验及其讨论79-81
• 4.3 二次微分相移快速确定方法81-88
• 4.3.1 二次微分相移确定方法的基本理论82-83
• 4.3.2 均质红细胞在不同干涉记录模式下的仿真实验83-88
• 4.4 离轴干涉下衍射场统计平均相移确定方法88-93
• 4.4.1 统计平均相移确定的基本理论88-89
• 4.4.2 均质红细胞数值仿真实验及其讨论89-92
• 4.4.3 聚苯乙烯小球实验验证92-93
• 4.5 本章小结93-94
• 第五章 三步相移干涉下的范数相移获取方法和与相位恢复94-116
• 5.1 范数的基本概念94-95
• 5.2 基于二范数运算的相移获取和相位恢复方法95-106
• 5.2.1 二范数运算基本理论95-97
• 5.2.2 球面波与平面波的仿真实验及其分析97-101
• 5.2.3 相移干涉显微成像系统设计101-103
• 5.2.4 实验验证示例103-106
• 5.3 基于类一范数运算的相移获取和相位恢复方法106-115
• 5.3.1 类一范数运算基本理论106-109
• 5.3.2 平面波的仿真实验及其讨论109-112
• 5.3.3 复杂面波的仿真实验112-115
• 5.4 本章小结115-116
• 第六章 广义相移的统计估测方法116-130
• 6.1 衍射相位场的统计特性116-117
• 6.2 三步相移下利用相位循环条件的相移估测方法117-118
• 6.2.1 基本理论117-118
• 6.3 两步相移下的广义相移统计估测方法118-129
• 6.3.1 基本理论119-121
• 6.3.2 均质红细胞的数值仿真实验与讨论121-127
• 6.3.3 实验结果127-129
• 6.4 本章小结129-130
• 第七章 瞬时两步相移干涉以及两步衍射相位成像系统研究130-143
• 7.1 瞬时相移干涉成像简介130
• 7.2 瞬时两步相移干涉相位成像方法及系统130-135
• 7.2.1 单个CCD下的瞬时两步相移成像方法130-132
• 7.2.2 单个CCD下的瞬时两步相移成像光学系统设计132-133
• 7.2.3 两个CCD下的瞬时两步相移成像方法及系统133-135
• 7.3 衍射相位显微成像方法135-136
• 7.4 两步衍射相位显微成像方法136-142
• 7.4.1 两步衍射相位显微成像理论及系统137-138
• 7.4.2 两步衍射相位显微下的相位恢复方法138-139
• 7.4.3 仿真实验示例139-142
• 7.5 本章小结142-143
• 第八章 结论、创新点与展望143-148
• 8.1 结论143-145
• 8.2 创新点145-146
• 8.3 展望146-148
• 参考文献148-159
• 致谢159-160
• 攻读博士学位期间主要研究成果及参与科研项目160-162

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本文编号：616120