设计并组建了光纤照明的多分辨率数字全息显微镜系统。激光器出射的激光经光纤耦合器、光纤分束器, 分别形成照明样品的照明光波和参考光波。照明光波经扩束准直后透过样品形成物光波, 与参考光在图像传感器表面干涉形成全息图。相 较于普通数字全息显微镜, 该系统更加紧凑稳定, 并且通过转动物镜转盘, 可选择采用不同的显微物镜, 实现多分辨率显微 定量相位成像。对该系统进行了实验测试, 首先用标准样品聚苯乙烯微球验证了该系统定量相位成像的准确性, 并测量了系 统的时空噪声, 得到空间噪声在2 nm以内, 时间噪声在0.8 nm以内; 然后将系统应用于单模光纤、微光学元件和生物样品的 测量, 获得了准确的定量相位像。实验结果表明组建的光纤照明多分辨率光纤型数字全息显微镜稳定性高, 能够实现准确的 定量相位成像。

白光扩展光源的低空间相干性,使得相位像不可避免地会遭受光晕效应的影响。基于此,提出了一种基于希尔伯特变换的快速消除光晕效应的方法。该方法不需要样品的任何先验知识,只需对测量相位像的导数作希尔伯特变换,并将变换后得到的图像和原测量图像中正确的高频数据和低频数据准确混合,即可有效地消除光晕效应,并保留白光相位成像系统的高分辨率。将所提方法应用于实验获取的白光衍射相位像数据,包括标准聚苯乙烯微球数据和活体血红细胞数据。实验结果表明,所提方法可以快速有效地消除白光衍射相位像的光晕效应。

数字全息显微术是数字全息术和光学显微术相结合的定量相位成像技术。为克服高相干光源(激光)照明产生的散斑噪声和寄生条纹噪声,以及参物光路分离系统结构的不稳定性(易受外界震动干扰),实现了白光照明(卤素灯照明)的基于光栅衍射的共路离轴数字全息显微定量相位成像。首先基于理论分析和计算,得出系统可采用的光学元件参数和系统结构参数;然后建立了一套卤素灯照明的光栅衍射共路数字全息显微成像系统;最后对系统的成像准确度和时空噪声进行了测量。实验结果表明,该系统具有高准确度的成像性能,并具有非常高的时空敏感性(空间噪声为0.6 nm,时间噪声为0.04 nm)。

为了实现实时数字全息显微观测,采用数字全息并行算法达到实时再现要求。首先根据设计的数字全息显微镜光路结构,充分利用图像传感器空间带宽积,通过实时记录方案采集全息图、物光强及参考光强以消除0级;然后通过设计的并行再现软件,将采集到的图像均匀分割为4个区域,交由4个进程分别同时计算,每个进程实现对应区域的全息图再现后,将每个再现结果再均分成4个区域,并将对应区域重新组合成4组数据交由4个进程分别同时进行叠加,计算相位及强度;最后将4个进程计算得到的相位、强度重新拼接成完整的再现强度及相位图。结果表明,系统的数据采集和图像再现速度达到了18frame/s。该设计系统实现了实时全息显微观测。

采用样品转动结构的光学衍射层析技术存在“苹果核频谱缺失”的问题,为此,本文提出傅里叶衍射映射正约束迭代算法以恢复缺失频谱,实现高精度折射率层析成像.首先基于光学衍射层析成像原理,采用带有样品转动装置的数字全息显微成像系统记录下360°视角内各个角度的显微全息图,计算得到每个角度的复振幅像分布;然后运用傅里叶衍射映射和正约束迭代相结合的衍射层析成像算法,计算得到样品内部折射率的三维分布.实验结果表明,该方法能有效地恢复缺失频谱,高精度地测量微小样品内部的折射率三维分布.

提出了一种用于数字全息显微术的可靠度导向快速相位展开算法。对可靠度参数进行非线性量化，结合查表法实现数字全息再现像的相位可靠快速展开。在截断相位图中找出残差点，以残差点的物光强度最大值为阈值，将测量区域分为可信区域和非可信区域。将可信区域的可靠度设为最大，非可信区域的光强进行量化，作为其可靠度。这样制作了一张非线性质量图。利用该质量图，结合查表洪水算法进行相位展开。实验中，采用非线性查找表的相位展开算法比传统洪水算法快68倍以上，比枝切法快近3倍。结果表明，该算法在保持高质量相位展开的情况下大大提高了速度。

提出了一种定量测量光纤内部折射率三维分布的新方法。基于数字全息显微断层成像技术，构建了一套测量光纤折射率的实验系统，实现了光纤内部折射率分布的三维测量。在预放大透射式数字全息显微系统中，加入样品转动装置，利用样品转动记录180°视角内各个角度的显微全息图，然后数值计算出每个角度光纤样品的折射率积分投影，并基于滤波反投影算法重建光纤内部折射率的三维分布。普通单模光纤和熊猫型保偏光纤两组样品的实验结果表明：建立的系统可应用于光纤内部折射率三维分布定量测量。

提出一种基于两步正交相移干涉的光学图像加密技术.这种相移干涉数字全息只要记录两幅干涉图，不需要记录物光波和参考光波的强度信息，就可以再现没有零级像和共轭像的再现像.物光波对应的光路经过两次菲涅尔变换，并结合双随机相位编码.参考光分别引入0和π/2相位，用数字化记录介质记录两幅数字全息图作为加密图像.解密时只要获得正确的密钥，经过简单的计算就可以重建清晰的原始图像.模拟实验验证了它的可行性和有效性，分析了抗裁剪和噪音的鲁棒性.

显微数字全息的关键技术之一是其相位信息的提取。通过分析显微数字全息图的空间频谱特点,提出了一种新的相位提取方法。将数字全息图频谱进行搬移,使物光频谱中心移到频域坐标原点;设计有限脉冲响应(FIR)数字滤波器滤出物光频谱;求解滤波后信号的辐角得到全息图相位。对设计的实验系统进行了验证,实验结果表明采用提出的方法提取显微数字全息相位,完全可行,效果良好。