动态数字全息显微折射率断层成像关键技术研究

Digital holographic microscopic tomography is a nondestructive and high-resolution tomography for the measurement of three-dimensional refractive index distribution. In the practical applications, one of the most crucial problems is how to improve the imaging speed, that is, how to reduce required a large set of digital microscopic holograms and associate computer costs. In this project, the research work will be carried out to resolve the problem. First, we will investigate and propose a novel iterative algorithm for accurate and fast tomographic image reconstruction from few-view and limited-angle holographic data. Then,the experimental architecture based on rotating the sample will be set up for recording the few-view and limited-angle holograms subject to the algorithm.In order to achieve high resolution and isotropic tomographic image, the methods to improve the image quality will be investigated, such as designing the suitable system parameters， applying the synthetic aperture technique as a tool for resolution enhancement and the superposition technique of phase images as a tool for reducing the speckle noise.Last, by full use of existing high-speed imaging equipment and computer control technology, the experimental architecture will be utilized to a compact system. By integrating the high-speed imaging technique, high-speed controlling technique and high-speed computing technique, the semi-real-time refractive index tomographic imaging system base on digital holographic microscopy will be implemented. The successful implementation of the project will be expected to achieve a breakthrough in digital holographic microscopic tomography, which will provide an advanced and nondestructive detection technique and research tool for life science, clinical medicine, new materials, biotechnology, pharmaceutical and other high-tech fields. Therefore, the project is of important scientific significance and application value.

数字全息显微断层术是一种高分辨率的安全无损的折射率断层成像技术，目前影响其应用的最关键的问题是成像速度问题。制约成像速度的关键因素是需要均匀采集各个角度的全息图和随之产生的大量的数据处理。本项目针对这一关键问题展开研究，建立适用于少量视角并有限角度数字全息显微数据的快速准确的混合迭代重建算法；构建样品角度转动和合成孔径技术、不同波长相位像叠加消散斑技术相结合的记录少量视角并有限角度显微全息图的实验装置，优化光路的结构参数，研究像质优化的方法，获取高分辨率各向同性的折射率断层重建像；充分利用现有的高速成像设备和计算机控制技术，对成像系统进行整体设计，通过快速记录、快速控制、快速计算，以达到准实时的动态数字全息显微折射率断层成像。本项目的成功实施，有望突破数字全息显微折射率断层成像技术的现有水平，为生命科学、临床医学、新材料、生物技术、药学等高新技术的发展提供先进安全的检测技术和研究工具。

数字全息显微断层术是一种高分辨率的安全无损的折射率断层成像技术，目前影响其应用的最关键的问题是成像速度问题。制约成像速度的关键因素是需要均匀采集各个角度的全息图和随之产生的大量的数据处理。本项目针对如何实现动态数字全息显微折射率断析成像展开理论和技术研究，根据研究计划，在充分研究了数字全息显微折射率断层成像基本原理、基本算法及实验实现的基础上，实现了基于滤波反投影重建算法的数字全息显微断层成像和基于样品先验知识的傅里叶衍射映射正约束迭代重建算法的高精度数字全息显微断层成像。之后，深入地研究了制约数字全息显微断层成像动态实现的关键因素，研究了少量角度数据数字全息显微断层重建的算法，提出了基于代数迭代和正约束相结合的少量投影重建算法，提出了基于频域的衍射正则迭代算法，实现了少量角度数据的折射率三维成像，少量角度数据重建克服了记录360度视角散射场的时间限制。此外，在重建过程中，相位解包裹是影响获取数字全息显微相位图速度的重要因素，提出了一种用于数字全息显微全息图的可靠度导向快速相位展开算法，使每帧全息图的复振幅像重建速度大大提高。在理论研究和技术研究的基础上，我们建立了数字全息显微断层成像实验系统，并对系统参数进行了优化，以获取高质量的数字全息显微相位图；编写了系统软件，实现了快速记录、快速控制、快速计算；展开了大量的实验研究，取得了可靠的实验结果，将少量角度数据数字全息显微断层成像理论和技术得到了有效地实施。.已经发表论文12篇，其中包括SCI论文5篇，EI论文7篇；授权发明专利2项，申请发明专利1项，授权实用新型专利1项，授权软件著作权2项。