多CCD和多照明角并用提高数字全息三维成像性能的新孔径合成方法

Due to the advantages of digital holography such as noninvasive, real time imaging, and the capability to reconstruct 3D volume information, it has been widely investigated in 3D microscopic imaging and measurement area in recent years. Currently, the limited lateral resolution and field of view are the two main issues in digital holography. At the same time, compared with other sophisticated techniques such as atomic force microscopy, the axial measurement accuracy of digital holography is not satisfied. The simultaneous improvement of the field of view, later resolution and axial accuracy to ideal extents in one system is an urgent need. In this project, a new aperture synthesis approach based on simultaneous application of multiple CCDs and multiple illumination angles is proposed. By improving the capability of signal capture, simultaneous improvement of field of view and down to sub-micrometer later resolution is achieved. Meanwhile, aperture synthesis method always cannot work in real time. Single exposure working mode is studied to solve this problem. At last, by investigation of the mechanism between lateral resolution and axial errors, and comprehensive research of axial error sources, the axial accuracy is improved to nanometer scale through multiple approaches. Finally, a real time digital holography 3D imaging with an improved of the field of view, sub-micrometer lateral resolution and nanometer axial measurement accuracy will be achieved. The approach proposed in this project tremendously improves the performance of digital holography technique, broadens its application areas, satisfies the need for high performance 3D imaging in many fields, and fosters the development of 3D microscopic imaging technique.

数字全息技术，由于无损、实时以及能够获取三维体信息等优点，近年来在三维显微成像和测量领域受到广泛关注。目前受限的横向分辨率、视场、以及轴向准确度，是数字全息的三个主要问题，严重限制其应用范围。在同一个系统中完成三个性能的共同提高并达到理想程度，是目前亟需解决的难题。本项目拟提出基于多CCD和多照明角度并用的新孔径合成方法。首先，通过提高数字全息的获取信号空间带宽积能力，同时实现视场的扩大和亚微米级的高横向分辨率。其次，针对孔径合成方法难以实时工作的问题，将对单曝光工作模式开展研究。最后，通过对轴向误差与横向分辨率作用机制、以及轴向误差源的全面研究，从多个方面将轴向准确度提高到纳米量级。最终实现同时扩大视场、并达到亚微米横向分辨率、以及纳米轴向准确度的实时三维成像方法。该方法将显著提高数字全息三维成像性能，满足多领域对高性能三维显微成像的需求，对三维显微成像技术的发展具有重要意义。

数字全息技术，由于其能够无损、实时地获取三维形貌信息等优点，近年来在三维显微成像和测量领域受到广泛关注。目前受限的横向分辨率、视场、以及轴向误差，是数字全息的三个主要问题。.本项目围绕这三个主要问题进行了以下的研究。首先对数字全息中轴向误差进行研究。首次发现空变特性是重要轴向误差源。分析了误差产生的原因。总结了空变特性导致轴向误差的特性。在此基础上，我们将窗函数应用到数字全息图上，全面抑制数字全息中轴向误差。同时对窗函数抑制误差的机制进行了研究。发现了窗函数中与误差相关的重要指标。以该量化指标作为指导选择合适的窗函数，可有效抑制轴向误差。.其次我们将多个CCD记录的多幅全息图进行拼接，合成较大的数值孔径，实现横向分辨率和视场的共同提高。在多个全息图拼接中，创新地提出了基于纯相位图像的拼接算法。不需要强度信息，仅仅依靠高度信息完成多孔径的拼接。.此外，为了解决方案中需要多个CCD的问题，我们对压缩感知数字全息进行了研究。压缩感知技术只需一幅全息图的10%-20%像素，就可重建高质量的图像。故通过复用一个CCD可记录多个CCD信息。复用效率的关键是稀疏基的选取。我们研究目前常用的稀疏基并不是最佳的稀疏基。我们提出CDF9/7和17/11是更优质稀疏基，可以更高效地复用一个CCD。.最后在应用方面进行了有益的探索。首先将量化相位显微方法与荧光成像结合，动态地观察细胞凋亡过程中，细胞三维形貌先膨胀，再破裂，再缩小的过程。对于细胞凋亡的研究具有重要意义。此外，也尝试将数字全息作为动态观察微观粒子运动的实验手段应用到分子通信的实验研究中。.综上，在此项目的资助下，我们对数字全息中横向分辨率、视场以及轴向误差三个方面的限制进行了深入的研究，并提出了切实有效的提高方法，显著地提高数字全息三维成像性能，对三维显微成像技术的发展具有重要意义。同时，我们将研究成果应用到细胞生物学和分子通信等研究领域，帮助解决其中的关键问题。