基于多波前剪切干涉与光学层析技术三维折射率场重构研究

发布时间：2017-12-11 05:09

  本文关键词：基于多波前剪切干涉与光学层析技术三维折射率场重构研究

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【摘要】：随着科学技术的不断进步,信息的获取形式也在由传统的平面信息转变为立体信息。在生命科学领域,传统的光学成像显微镜正逐步被能够提供生物细胞或组织三维结构信息的共聚焦显微镜、结构光照明显微镜以及层析相位显微镜所取代。对于荧光单标记或多标记的细胞及组织样本,共聚焦显微镜与结构光照明显微镜均可以获得较为理想的检测结果,其中结构光照明显微镜还可以通过合成孔径的方式实现超分辨的三维层析成像。但为了克服标记样本的局限性,对于非标记的透明生物体而言,只有采用光学干涉层析技术的层析相位显微镜可以在重构生物体折射率分布的基础上获得其三维结构信息。同样在空气动力学领域,高超音速飞行器设计是近年来航空航天领域的热点与难点,其困难不仅仅在于气动布局的设计与仿真,同时也包括了飞行器模型周围流场分布的气动光学检测,传统的纹影仪与干涉仪仅能实现单个方向的光线偏折或波前畸变检测,如需获得流场中折射率分布及密度分布的精确信息还要借助光学干涉层析技术来实现。目前的光学干涉层析技术多采用常用的Mach-Zehnder型或Twyman-Green型干涉体系,在抗环境干扰能力、检测动态范围以及机构的仪器化小型化方面还需要进一步提高。本文利用多波前剪切干涉技术动态范围高抗干扰能力强的特点,在光学层析三维折射率场重构数学模型的基础上,研究了针对高速流场分布检测的大口径双波前偏折型径向剪切干涉三维折射率场重构系统,以及针对生物细胞三维结构检测的四波前横向剪切干涉三维折射率场重构系统,实现了空气流场与生物细胞的光学干涉层析检测。该研究对于实现光学干涉层析技术的通用化与小型化具有重要的意义。主要研究内容包括：论述了光学层析技术的背景与其在气动光学和生物医学等领域的重要意义,综合比较了光学投影层析法、光线偏折层析法以及光学干涉层析法的优劣,提出了基于多波前剪切干涉与光学层析方法的三维折射率分布重构技术。介绍了作为光学层析三维折射率分布重构技术基础的Radon变换及重要性质傅里叶切片定理,研究了Radon变换的逆变换即滤波反投影算法与代数重构算法的原理、算法实现以及仿真比较。通过变化待重构网格数、投影角度数以及投影光线条数对不同重构条件下的滤波反投影算法和代数重构算法的性能做了详细的评估。针对高超音速流场中的三维折射率分布检测,提出了大口径双波前偏折型径向剪切干涉三维折射率重构技术,设计了可用于模型遮挡情况下风洞检测的共路抗干扰的偏折型环形径向剪切干涉仪,在此基础上研究了偏折型径向剪切干涉图的波前解调算法并加以仿真验证。考虑到风洞窗口限制以及模型遮挡导致的有限角度中心遮挡问题,提出了相应的双调和样条插值代数重构算法。针对生物细胞等微小样品的检测,提出了四波前横向剪切干涉三维折射率分布重构技术。在交叉光栅横向剪切干涉仪、改进哈特曼模板横向剪切干涉仪等四波前横向剪切干涉仪的基础上,提出了新颖的基于随机编码混合光栅的四波前横向剪切干涉仪。研究了不同条件下解调四波前横向剪切干涉图的位相重建算法。考虑到采用振镜摆动实现投影角度变化会导致部分角度的投影数据无法获得,研究了可以通过引入其他先验信息改善重构结果的迭代约束滤波反投影算法,实现了缺失投影角度情况下投影数据的精确重建。分别建立大口径双波前偏折型径向剪切干涉三维折射率场重构与四波前横向剪切干涉三维折射率场重构原理性实验,验证了偏折型环形径向剪切干涉仪、交叉光栅横向剪切干涉波前检测系统以及随机编码混合光栅四波前横向剪切干涉波前检测系统的检测精度,与光学层析技术相结合,分别实现了模型遮挡下热气流的三维折射率分布重构与红细胞的三维折射率分布重构,获得了预期的实验结果。总结了本文所开展的相关工作,并对下一步研究方向进行了展望。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O439

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