免解包快速相位成像方法及其实验研究
发布时间：2021-07-13 13:36
大部分生物细胞都是无色透明体,传统光学显微镜无法对细胞进行原态清晰成像。相位显微技术以细胞的物理和光学特性为出发点,可实现无接触、无损伤检测,是研究生物细胞形态和动力学特征的有力手段。相位显微技术在其他光学测量和成像中也发挥着越来越重要的作用。相位成像的质量和效率直接影响对待测物的观测结果,而这些往往取决于成像方法和相位恢复方法。通常在单波长相位显微成像中,首先得到的非连续相位,需要进行复杂的相位解包裹运算才能获得真实相位,该过程一般比较耗时,且难以适用于复杂结构体,这对最后的成像效果将产生较大影响。因此针对免解包的相位成像方法的研究具有重大意义。本文围绕免解包快速相位成像方法及其实验进行了研究,其主要内容如下:（1）针对典型的免解包双波长成像技术中需要多帧图像数据和实验操作相对复杂的问题,为了提高成像效率,提出了两种免解包双波长三步相移成像方法:离轴干涉下微分法和任意模式下的径向希尔伯特变换求解相位的方法。两种方法只需要三幅双波长干涉图就可以实现相位恢复,且都得到了仿真验证。同时建立了双波长实验光路,对希尔伯特法进行了实验研究与验证。结果表明了两种方法的可行性。（2）为进一步提高双波...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相移示意图[2]
江苏大学硕士学位论文3量的相位分布对研究细胞的形态结构、健康状态以及动力学特征都是十分重要的。相位成像技术经过近几十年的发展，已经产生了诸多的定量相位显微技术和相应的相位反演恢复方法。依据分析原理的不同，定量相位显微技术可以分为强度分析法和相位调制法两大类。强度分析法，指的是根据采集到的透过相位体的光强分布，直接计算其相位分布的方法。典型的技术有基于GS（Gerchberg-Saxton）迭代算法下的单光束传输相位成像[15-17]和基于直接求解光强传输方程（TransportofIntensityEquation，TIE）的三离散焦面得相位成像系统[18,19]。相位调制法指的是在光干涉成像系统借助相应的元器件引入调制技术，将相位信息转换为对比度高的干涉光强度信息，然后选取合适的运算方法将相位信息从干涉图样定量解耦出来。相位调制技术都是基于光干涉原理，因而这类技术也常称为干涉相位显微技术。该技术相比强度分析法技术无需考虑一些附加边界条件和避免了复杂的运算，具有更高的灵敏度和检测效率，因而更为广为运用。发展到至今，干涉相位显微技术已经被应用到各式各样的干涉成像系统[20-24]，在生物医学成像等方面的成果也是十分丰富。例如瑞士的Cuche等人[25]于2005年以马赫曾德尔（Mach-Zehnder，MZ）干涉光路为基础的定量干涉显微系统，光路图如图1.2所示。首次应用了利用数字相位显微技术定量测量了培养液中的活细胞。又如德国的Kemper等人将相位调制技术应用于迈克尔逊（Michelson）干涉仪中，对活胰腺肿瘤细胞进行了定量成像[26]，该成像装置简单，可实现长时间的动态成像。图1.2离轴数字全息光路图[25]Fig.1.2Experimentalsetupofoff-axisdigitalholography[25]
免解包快速相位成像方法及其实验研究6图1.3双波长数字全息光路[63]Fig.1.3Two-wavelengthsdigitalholographicmicroscopysetup[63]为了有效地提高双波长相移干涉成像的效率，研究学者们提出了一些更加快速的同步双波长相移干涉技术，两不同波长的激光器是同时进入成像系统中，每次同时对两波长的相移进行控制。从使用相移值的不同，它主要可以分为两大类：一类是基于特殊相移下的成像方法，另一类是基于广义相移（盲相移）下的成像方法。下面分别来做介绍。第一类是使用特殊相移实现双波长相位成像的方法，对相移器精度、实验人员的操作和环境的稳定性都提出了较高的要求，但是在相位恢复过程中使用的运算往往比较简单，容易分离出单波长下的信息。代表性的技术有双波长五步相移干涉技术和四步相移干涉技术。例如Zuo等人提出了一种利用双频三极脉宽调制条纹投影的动态场景高速三维形状测量技术。该方法只需五幅相移条纹图像即可获得相位信息，凭借高速采集干涉图，实现了物体动态测量[65]。华南师范大学吕晓旭课题组和本课题组也都建立了双波长五步相移成像系统，这两成像系统都利用到波相关系来实现特殊相移，在相位恢复过程中利用简单代数运算就可分离出单波长下的干涉信息，进而得到合成波长下的相位分布[66]。为减少使用相移的次数提高测量效率，研究学者们又提出了双波长四步相移成像技术[67]。在该技术中，只需要四幅干涉图，在相位恢复中主要利用相移运算和简单的减法运算就可实现。但不同干涉图的获取与实验中加入的相移与理论值之间仍有一定的时间间隔。上述列举瞬时双波长相位成像方法效率都较高，但需要依赖于特殊的相移来分离单个波长的干涉信息。
【参考文献】：
期刊论文
[1]图像经典边缘检测算子的研究与比较[J]. 陈浩. 电脑编程技巧与维护. 2019(12)
[2]数字全息技术在生物医学成像和分析中的应用[J]. 王云新,王大勇,杨怡姝,赵洁,欧阳丽婷,肖向茜,戎路. 中国激光. 2014(02)
[3]双波长数字全息相位解包裹方法研究[J]. 王羽佳,江竹青,高志瑞,蔡文苑,伍江涛. 光学学报. 2012(10)
博士论文
[1]广义相移数字全息干涉术相移提取及波前再现算法的理论及实验研究[D]. 徐先锋.山东大学 2008
硕士论文
[1]基于光全息下的相位成像系统设计优化及相位恢复方法应用研究[D]. 韩豪.江苏大学 2017
本文编号：3282161
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相移示意图[2]
江苏大学硕士学位论文3量的相位分布对研究细胞的形态结构、健康状态以及动力学特征都是十分重要的。相位成像技术经过近几十年的发展，已经产生了诸多的定量相位显微技术和相应的相位反演恢复方法。依据分析原理的不同，定量相位显微技术可以分为强度分析法和相位调制法两大类。强度分析法，指的是根据采集到的透过相位体的光强分布，直接计算其相位分布的方法。典型的技术有基于GS（Gerchberg-Saxton）迭代算法下的单光束传输相位成像[15-17]和基于直接求解光强传输方程（TransportofIntensityEquation，TIE）的三离散焦面得相位成像系统[18,19]。相位调制法指的是在光干涉成像系统借助相应的元器件引入调制技术，将相位信息转换为对比度高的干涉光强度信息，然后选取合适的运算方法将相位信息从干涉图样定量解耦出来。相位调制技术都是基于光干涉原理，因而这类技术也常称为干涉相位显微技术。该技术相比强度分析法技术无需考虑一些附加边界条件和避免了复杂的运算，具有更高的灵敏度和检测效率，因而更为广为运用。发展到至今，干涉相位显微技术已经被应用到各式各样的干涉成像系统[20-24]，在生物医学成像等方面的成果也是十分丰富。例如瑞士的Cuche等人[25]于2005年以马赫曾德尔（Mach-Zehnder，MZ）干涉光路为基础的定量干涉显微系统，光路图如图1.2所示。首次应用了利用数字相位显微技术定量测量了培养液中的活细胞。又如德国的Kemper等人将相位调制技术应用于迈克尔逊（Michelson）干涉仪中，对活胰腺肿瘤细胞进行了定量成像[26]，该成像装置简单，可实现长时间的动态成像。图1.2离轴数字全息光路图[25]Fig.1.2Experimentalsetupofoff-axisdigitalholography[25]
免解包快速相位成像方法及其实验研究6图1.3双波长数字全息光路[63]Fig.1.3Two-wavelengthsdigitalholographicmicroscopysetup[63]为了有效地提高双波长相移干涉成像的效率，研究学者们提出了一些更加快速的同步双波长相移干涉技术，两不同波长的激光器是同时进入成像系统中，每次同时对两波长的相移进行控制。从使用相移值的不同，它主要可以分为两大类：一类是基于特殊相移下的成像方法，另一类是基于广义相移（盲相移）下的成像方法。下面分别来做介绍。第一类是使用特殊相移实现双波长相位成像的方法，对相移器精度、实验人员的操作和环境的稳定性都提出了较高的要求，但是在相位恢复过程中使用的运算往往比较简单，容易分离出单波长下的信息。代表性的技术有双波长五步相移干涉技术和四步相移干涉技术。例如Zuo等人提出了一种利用双频三极脉宽调制条纹投影的动态场景高速三维形状测量技术。该方法只需五幅相移条纹图像即可获得相位信息，凭借高速采集干涉图，实现了物体动态测量[65]。华南师范大学吕晓旭课题组和本课题组也都建立了双波长五步相移成像系统，这两成像系统都利用到波相关系来实现特殊相移，在相位恢复过程中利用简单代数运算就可分离出单波长下的干涉信息，进而得到合成波长下的相位分布[66]。为减少使用相移的次数提高测量效率，研究学者们又提出了双波长四步相移成像技术[67]。在该技术中，只需要四幅干涉图，在相位恢复中主要利用相移运算和简单的减法运算就可实现。但不同干涉图的获取与实验中加入的相移与理论值之间仍有一定的时间间隔。上述列举瞬时双波长相位成像方法效率都较高，但需要依赖于特殊的相移来分离单个波长的干涉信息。
【参考文献】：
期刊论文
[1]图像经典边缘检测算子的研究与比较[J]. 陈浩. 电脑编程技巧与维护. 2019(12)
[2]数字全息技术在生物医学成像和分析中的应用[J]. 王云新,王大勇,杨怡姝,赵洁,欧阳丽婷,肖向茜,戎路. 中国激光. 2014(02)
[3]双波长数字全息相位解包裹方法研究[J]. 王羽佳,江竹青,高志瑞,蔡文苑,伍江涛. 光学学报. 2012(10)
博士论文
[1]广义相移数字全息干涉术相移提取及波前再现算法的理论及实验研究[D]. 徐先锋.山东大学 2008
硕士论文
[1]基于光全息下的相位成像系统设计优化及相位恢复方法应用研究[D]. 韩豪.江苏大学 2017
本文编号：3282161
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