基于三波长照明孔径调制的叠层衍射成像方法研究

论文摘要

光波的相位分布包含了待测样品的内部结构等诸多信息。如何恢复CCD无法直接记录的相位信息是计算成像领域研究热点。叠层衍射成像(Ptychographic Iterative Engine,PIE)是一种无透镜、无参考光、非干涉的相位恢复方法,这种方法采用二维正交扫描改变照明探针和待测样品的相对位置,记录一系列空域关联的衍射强度并借助迭代算法恢复待测相位。然而PIE依赖于数十次机械扫描移动以采集大量的衍射图数据,采集过程耗时,且容易引入位置误差,进而影响复原精度与成像效果。本研究针对PIE的理论机理与误差模型展开,并在成像系统和复原算法进行改进,提出基于三波长照明孔径调制的叠层衍射成像方法,该方法将多次正交扫描过程替换为少量次数的调制照明范围,降低位置误差的同时使衍射图像记录时间和后期迭代计算时间大大降低。本文主要研究内容总结如下:研究相位成像与测量的相关方法。对相衬相位成像技术、数字全息技术、哈特曼波前测量技术、光强传输方程技术的原理及优缺点进行了归纳。对PIE相位恢复方法的优势、发展历史及目前所存在的问题进行了详细阐述与总结。研究PIE的成像原理以及复原算法。对PIE算法及其可恢复照明光的扩展算法ePIE进行数值模拟与仿真分析。定量探究了影响PIE成像精度的核心误差因素—扫描位置误差。仿真了基于模拟退火的扫描位置误差校正算法,验证了该方法在理论上可对扫描位置误差进行一定程度的消除,但计算量将增加数倍。提出并研究基于三波长照明孔径调制的叠层衍射成像方法。与彩色相机三通道对应,该方法使用R/G/B三路激光作为照明光源,通过少量次数的调制照明光阑范围实现空域关联,无须二维机械扫描移动;三波长的照明方式延展了照明光频域范围,提高了数据冗余度;彩色相机可同时对三波长衍射信息记录,效率提高3倍,图像曝光记录次数与PIE相比降低70%。分别对该方法的可行性和核心参数选择进行了验证和分析,并针对系统中存在的误差因素提出了相关校正方法。搭建实验光路进行实验探究。利用鉴别率板对算法中各参数进行多组对比实验,结果证明本文研究的三波长照明孔径调制的叠层衍射成像方法具有正确恢复待测样品复振幅的能力,横向分辨率达到12.4μm。对生物样品和计算全息板进行测量,实验结果显示本文提出的方法可高质量地复原蚊子腿切片三维轮廓信息与CGH台阶高度信息。本文从仿真与实验两方面着手,验证了所提出的相位复原方法的可行性与优势,同时也具有应用于生物定量相位成像与光学测量等领域的潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题背景及研究目的和意义
•   1.2 相位成像与测量的相关方法及进展
•     1.2.1 相衬相位成像技术
•     1.2.2 数字全息技术
•     1.2.3 哈特曼波前测量技术
•     1.2.4 光强传输方程（TIE）技术
•   1.3 叠层衍射成像（PIE）发展现状及存在的问题
•   1.4 本文主要研究内容
• 2 叠层衍射成像的理论分析
•   2.1 自由空间的衍射计算
•     2.1.1 菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射
•     2.1.2 衍射的角谱理论
•     2.1.3 经典衍射公式的统一表示
•   2.2 叠层衍射成像（PIE）的原理与算法
•     2.2.1 PIE的原理与特征
•     2.2.2 PIE的算法与验证
•     2.2.3 可恢复照明光的扩展PIE算法（ePIE）
•   2.3 位置误差对扫描式PIE的影响分析与算法消除
•     2.3.1 位置偏差的误差源分析及其对PIE复原结果影响
•     2.3.2 基于模拟退火的位置误差消除算法
•   2.4 本章小结
• 3 基于三波长照明孔径调制的叠层衍射成像仿真分析
•   3.1 成像原理与迭代算法
•   3.2 可行性验证与分析
•     3.2.1 连续型相位的复原效果验证
•     3.2.2 离散型相位的复原效果验证
•   3.3 照明核心参数选择对重建质量影响分析
•     3.3.1 照明空间重叠率对重建质量的影响分析
•     3.3.2 照明光谱通道选择对重建质量的影响分析
•   3.4 图像接收端误差对复原精度影响分析
•     3.4.1 噪声信号对复原精度的影响
•     3.4.2 电荷耦合器件饱和效应对复原精度的影响
•     3.4.3 通道信息串扰对复原精度的影响
•   3.5 轴向距离误差及其消除方法
•     3.5.1 轴向距离误差模型分析
•     3.5.2 迭代自聚焦的轴向距离误差校正
•   3.6 本章小结
• 4 基于三波长照明孔径调制的叠层衍射成像实验研究
•   4.1 实验光路与相关参数
•     4.1.1 光源模块
•     4.1.2 扩束准直模块
•     4.1.3 照明空间调制模块
•     4.1.4 图像接收模块
•     4.1.5 光路搭建与准备
•   4.2 图像复原分辨率对比实验与分析
•     4.2.1 照明波长参量的实验分析
•     4.2.2 照明孔径重叠率参量的实验分析
•     4.2.3 与ePIE算法的复原分辨率对比
•   4.3 复值型样品的实验探究
•     4.3.1 生物样品相位复原实验
•     4.3.2 CGH台阶高度的检测实验
•   4.4 实验改进方案
•   4.5 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张天宇

导师: 马骏

关键词: 叠层衍射成像,相位复原,迭代算法,无镜成像

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 南京理工大学

分类号: TP391.41;O439

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.001275

总页数: 81

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