数字像面全息显微技术中, 记录过程引入的噪声限制了轴向测量的精度和可靠性。目前对于抑噪方法的研究, 主要针对高频噪声。因此提出了一种针对数字像面全息显微技术的降噪方法, 不仅抑制高频噪声, 对噪声的低频部分也有抑制作用, 提高重构相位的信噪比。这种降噪方法对数字像面全息显微图进行优化, 实现途径为利用二维经验模态分解中, 第一层本征模态函数与全息图干涉条纹灰度信息契合的特点, 提取第一层本征模态函数实现优化。应用优化后的像面全息图, 实现重构, 求解相位, 测量样本表面形貌。应用优化方法对标准纳米台阶的表面形貌进行测量, 对比并分析优化前后全息图的频谱以及测量的高度图, 证明优化方法在保证对微结构表面形貌实现可靠测量的基础上, 降低了数字像面全息显微技术的重构相位噪声。

微球跟踪技术是生物学动态过程的重要研究工具之一。为获取相关生物学信息,需要对微纳米尺度的微球进行三维位置的测量。在实际测量中,由于液态环境中微球间及微球与其他物质间存在相互作用力,微球图像交叠的现象难以避免。交叠微球图像会导致圆环特征的交错,采用传统方法难以实现特征识别,进而无法对其定位。针对这一问题,提出了全息重构聚焦法(HRFM),通过精确定位微球的横向位置,获取其三维位置。实验结果表明HRFM定位微球位置较传统方法更为精确,且尤其适用于交叠微球位置的测量,对单个微球和交叠微球的测量均能达到2 nm的三维位移分辨力。

为了实现对液态环境中微球三维位置的快速精密测量, 尤其是轴向的测量分辨力和速度, 基于离焦成像测量理论, 结合并改进象限插值法和矢径投影算法, 提出了一种新的方法, 实现了对微球三维方向1 nm测量分辨力的跟踪测量。该方法测量效率高, 对单个粒子轴向位置的测量速率最快达到每秒上百帧甚至更高。进一步讨论了横向位置测量误差对轴向测量分辨力的影响, 分析了轴向方向大范围的跟踪测量分辨力。通过和相同实验条件下的互相关方法对比, 说明该方法在实际测量中具有可行性, 在实现相同轴向测量分辨力的情况下测量效率更高。

提出一种用于测量微结构表面形貌的离轴显微干涉术。该技术的实验装置为一个优化的马赫-曾德尔干涉仪。其特点为参考波是具有一定载频的倾斜波。该技术中应用CCD 记录离轴显微干涉图，并用傅里叶变换方法对记录的干涉图在傅里叶面进行频谱滤波求解相位。不同于经典显微干涉术，离轴显微干涉图的载频较高，仅需单幅干涉图即可得到相位信息。因此该技术在测量中具有防振、快捷有效的特点。利用一个标准微台阶以及微孔阵列的形貌检测结果验证该技术的有效性，同时与轮廓仪的测试结果进行对比，证明结果一致。被测物也应用Mirau干涉显微镜进行测试，实验结果表明经典显微干涉图干涉信息载频不足，仅使用单幅干涉图不能得到正确相位，该组实验证明了离轴显微干涉术相对于传统显微干涉术的优越性。

微球三维位置的精确测量是单分子力谱测量技术中的关键。采用同轴数字全息技术对微球的三维位置进行测量。通过同轴数字全息显微系统采集一系列微球的全息图像，利用瑞利-索末菲传播原理对全息图进行三维重构，同时对重构光场进行去卷积运算，消除了散斑、离焦信号等噪音，并对微球球心纵向光场分布进行多项式拟合，提高了微球三维位置测量精度。实验表明，该方法不仅能够对全视场中的微球进行并行测量，而且能够对交叠微球进行测量，纵向分辨力达到2 nm，在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。

为了提高在液态环境中对直径微米量级微球三维位置测量的空间分辨力，尤其是轴向的测量精度，将互相关算法对相似图像高精准的匹配特性与离焦成像法测量微球三维位置的思想相结合，讨论基于互相关匹配的离焦成像法测量微球三维位置的方法。实验表明，该方法对微球轴向位置4 min内连续定位的测量标准差约为0.64 nm，已实现对微球三维方向1 nm 阶跃变化的分辨测量，这在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。相同实验条件下，与同轴数字全息显微术对微球三维位置的对比测量和分析也初步说明了该方法在实际测量应用中的可行性与高精度的特点。