螺旋相位定量检测法测量血红细胞参数的应用基础研究

发布时间：2020-11-21 10:03

　　 血液是人体中一种维持生命的液体,而血红细胞则是人体血液的重要组成部分,血红细胞的异常通常都伴随着疾病的产生,因此血红细胞的研究对于临床医学中疾病的诊断具有重要意义。而单个的生物细胞往往可以被认为是单纯的相位物体,光束通过后,通常只有光波的相位发生了变化,振幅和波长不会发生很大改变,而显微镜只能观察到物体亮度的改变和颜色的变化,即只能区分光波的振幅和波长,无法区分相位的变化,因此通过普通的光学显微镜无法观察清楚相位型物体的细微结构。将螺旋相位板置于显微镜中制成螺旋相位滤波器可以实现对于血红细胞的观察,细胞的边缘轮廓由于存在相位梯度从而可以将生物细胞从背景中分离出来,出现了等向边缘增强的效果。为了可以得到更加立体的细胞图片,更好地观察细胞的形态,我们可以对螺旋相位板进行合适的改造从而可以打破它的对称性,这样对立的两端实现的边缘增强效果不一样,就会对样本观察产生浮雕阴影效果,产生立体图像。本文主要工作对基于螺旋相位板的螺旋相位空间滤波器实现边缘增强效果与浮雕阴影效果的原理进行理论化分析与并进行仿真,根据输出图像与输入图像的关系,建立血红细胞各个参量之间的联系,实现对于血红细胞各个参数之间的定量检测,同时在光学平台上搭建光路进行实验,观察螺旋相位滤波器的图像增强效果,同时采用实验获得的图像,实现从输出图像推导出输入图像的过程,并进行仿真实验。本文的主要工作如下:(1)理论分析螺旋相位滤波器以及拉盖尔-高斯滤波器对于相位型物体的图像边缘增强原理,介绍两种样本观察时产生浮雕阴影效果的方法并进行理论分析以及仿真证明。(2)介绍叉状光栅的制作原理,推导出叉状光栅的透射函数以及叉状光栅实现?1级图像边缘增强方法与仿真。(3)理论推导4f系统中,输出图像光强与输入图像之间的关系,从而实现对于血红细胞的定量相位的研究,搭建基于4f系统的螺旋相位滤波显微系统,并对人体血红细胞进行观察,验证之前的理论,同时根据实验图像实现对于血红细胞高度的实验仿真。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R446.1;TP391.41
【部分图文】：

以经常遇见这种情况的出现，例如大气中会出现的龙卷风、江面上出、划船时船桨产生的旋涡等；也有很多容易被我们忽视掉的小漩涡的当物体在流体中进行运动时，物体边界层中的小涡，以及湍流中的随为一种典型的物理现象，在各种经典的物理体系当中也不乏涡旋的身我们可以利用涡旋来产生在氦超流体[53][54][55][56]，而宇宙学中最有影响说-大爆炸宇宙论也出现有涡旋的身影。漩涡现象在光学中的物理表现的螺旋形相位波前，光束沿着传播轴上的一条直线呈螺旋状向前进行有这种特殊的传播形式的光束，我们称作为光学涡旋[21]。物理学理论中，我们认为光是具有波粒二象性的，它具有电磁波的宏含有波长( )，频率( )，相位( )以及偏振态( )信息，同时也具有粒性，包含有自旋角动量(S)，轨道角动量(L)，动量(P)，能量(E)信息。产生，人们对于光的了解也越来越深入。在 1992 年的时候，光子的轨一物理量被荷兰科学家 Allen 首次发现，并且他也从理论上证明光子所角动量的存在。1 为光学涡旋的示意图：

相位会围绕着光波的中心，也即光波的传播轴呈螺旋形式进行不断变化着的也是光学涡旋被称作―相位缺陷的‖原因。相位奇异性是光学涡旋所具有的另外重要的物理性质，相位奇异性在物理光学中的许多领域之中都有体现。在光传输过程中，光束是呈柱对称地向前传播的，而在光束中心处会存在着一个暗核斑)，光束的暗核处就像一个黑洞，不存在能量，在这里光束的物理量均为零光束的光强为零，并且不管光束怎么传播都一直保持为零，轨道角动量的取为零，我们将这个点叫做光束的相位奇点，光束围绕奇点旋转一周后相相位变量大小为 2π。正因为涡旋光束的相位波前的特殊结构，它围绕传播中心呈状分布，使得涡旋光的波矢量存在着另一种特殊的量——方位项，光束的轨动量就产生于光子围绕相位奇点旋转的这一过程之中，光波传播过程当中，个光子都会有着自己的特定的方位角，因此也都对应的获得了确定的轨道角的值。如图 2-2，图中分别给出了，光束取得不同数值的拓扑电荷数时，光束的位面的展示图，当 l= 3时，光束的螺旋结构与意大利面的形状十分相似。由知，光束等相位面的螺旋程度以及旋向决定于 l 的绝对值的大小以及它的符号

我们将单色光的光场的表达式表示为： 0E r , z E r , z exp( i kz)常，一个拓扑电荷数值为 l 的光学涡旋光光场，我们一般将它的光场表： 0E r , z E r , z exp(i l )exp( i kz) E0(r，z)表示光场在传播轴上距离起始点路程大小为 z 处的光场的振幅函数式中符号 表示的是光束围绕中心奇异点获得的的方位角，符号 l 表示光束的拓扑电荷的数值，其取值可以取任意整数，符号 k 表示波数，符束在轴上的传播距离。由公式(2.1)我们可以知道，光场的相位因子分 )影响着涡旋场的相位大小。涡旋光束的相位因子为 ，当光束在进行的时候，每个光子的轨道角动量的数值大小为l ，当光子围绕涡旋中心旋转一周，它的相位变化量为 2πl。如图 2-3，(a)- (b)分别表示了当拓扑电与拓扑电荷数为 l=2时，涡旋光束的相位分布的仿真图，(c)-(d)分别表示当数 l=1与拓扑电荷数为 l=2时，涡旋光束的光强分布的仿真图。
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本文编号：2892850