基于LED照明的高分辨数字全息显微技术研究

Digital holographic microscopy (DHM) provides a real-time, non-contact, three-dimensional optical observation and measurement method for the biomedical research, micro-machining, particle field research and so on. However, the speckle noise and the limited numerical aperture reduce the quality of imaging and the spatial resolution. In order to solve these problems, a scheme based on LED illumination digital holographic microscopy is proposed in this project. By using red and blue LEDs as the illumination sources and CCD camera as a recording device, two single wavelength in-line holograms can be extracted from the single-shot dual-wavelength hologram. With the aid of phase-shifting and the synthetic wavelength between the two wavelengths, a real-time full field imaging can be achieved without phase unwrapping. At the same time, the background noise in the tomography can be eliminated since the imaging depths of the two wavelengths are different, and the axial resolution can be improved. In order to improve the lateral resolution of DHM, a LED array is used as the light source. A hologram with multi-angle illumination from difference positions of LED beads is recorded. Then, the spectrum filtering and synthetic aperture are performed to realize the high resolution imaging. These works of the project will contribute to further development and application of high performance digital holographic microscope.

数字全息显微为生物医学、微纳加工和粒子场检测等领域提供了一种快速、非接触、三维光学检测手段。但在实际应用中，由于激光散斑噪声的存在和数值孔径的限制，使得全息显微的成像质量下降，分辨率受限。针对这些问题，本项目提出了一种基于LED照明的数字全息显微方法。使用红蓝两色LED作为照明光源和彩色CCD记录，从记录的单幅双色全息图中分离出两幅单波长同轴全息图，利用相移和双波长之间形成的合成波长，实现无包裹的全场实时观测。利用不同波长的层析厚度不同，消除层析观测中的背景噪声，提高纵向分辨率。为了提高横向分辨率，使用LED阵列作为照明光源。通过同时记录LED阵列中不同位置灯珠照明的全息图，利用频谱滤波和合成孔径实现高分辨率再现像。通过本项目研究，可以为实用化的高性能数字全息显微镜的开发和应用打下基础。

数字全息显微为生物医学、微纳加工和粒子场检测等领域提供了一种快速、非接触、三维光学检测手段。但在实际应用中，由于激光散斑噪声的存在和数值孔径的限制，使得全息显微的成像质量下降，分辨率受限。针对这些问题，本项目设计并搭建了基于双LED照明的全视场同轴无相移数字全息显微装置。利用同轴记录保证成像分辨率的基础上，利用提出的双波长实时无包裹再现算法可以实现对微器件等静态样品的检测和生物细胞等动态变化过程的在线实时监测，具有全视场、高分辨、实时三维成像的特点。对装置中物镜等透镜引起的附加相位进行了深入的分析，提出了一种基于频谱分析附加相位消除方法。该方法计算处理完全自动化，适用范围广，极大地满足了实际在线研究的需要。利用LED相干长度短的特点，该装置还可以实现对样品内部信息的层析观测。为了解决传统层析过程中相移记录耗时，层析厚度受光源相干长度限制的问题，本项目提出了开展了基于双波长LED照明层析显微技术的研究，分析了装置中照明波长和不同NA显微物镜等对层析观测的影响，利用提出的双波长实时无包裹再现算法无需相移即可再现样品的单层单次层析像。将样品同一位置两幅不同深度的层析再现像归一化处理后还可以获得比普通单波长LED层析更薄的层析显微观测效果。为了正确再现单个LED灯珠弱光照明下的样品信息，我们提出了一种混合双频谱迭代恢复算法，通过选定合适的迭代初始值就可以快速恢复样品形貌分布，并且在图像恢复质量和重建速度之间获得一个良好的平衡。为了解决弱光照明下迭代算法可能存在的不收敛问题，提出了一种可调谐空间频谱滤波算法（TOF）。通过在迭代算法的不同阶段，选取不同滤波窗口的高斯函数来权衡频谱面中的低频成分和包含噪声的高频成分，减少实验噪声对重建过程中全局最小值的影响，保证了迭代运算的可靠性。