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数字全息衍射层析成像技术将数字全息与衍射层析技术相结合,不仅具有数字全息的全视场、非接触、非标记等优势,还具有衍射层析三维成像的优势。相比传统的计算层析技术,由于其考虑了衍射效应,提高了弱散射微小样品的成像精度。此外,数字全息衍射层析成像在得到三维形貌分布的同时,通过相位测量还可得到样品的三维折射率分布。以上诸多优势,使数字全息衍射层析成像在生物医学测量、光学元件检测等领域具有广泛的应用前景。本文针对数字全息衍射层析成像技术,分析了基于傅里叶衍射投影定理的衍射层析基本原理,提出了基于单次赋值的线性插值算法,通过振镜改变照明方向并结合透镜成像特性,优化设计并搭建了成像系统,利用标准样品验证了插值算法的有效性,并对激光烧蚀的光学样品和人体乳腺癌细胞进行衍射层析成像。本论文的主要内容如下:阐述了数字全息衍射层析成像的基本原理。首先介绍了数字全息成像的记录和再现过程,并分析了典型的三种数值再现算法。接着介绍了基于傅里叶衍射投影定理的衍射层析基本原理,实现对弱散射物体内部结构的测量。同时介绍了旋转样品式和多角度照明式两种不同的衍射层析记录方式。分析并优化了数字全息衍射层析中的再现算法。针对最近邻插值算法多次赋值会降低频谱信息准确性这一问题,提出了基于单次赋值的线性插值算法,该插值算法可确保每个角度下获得频谱信息的单次赋值,得到较为准确的物体函数的频谱信息,有利于提高衍射层析再现精度。在此基础上,采用正约束迭代算法增加频谱信息,弥补在多角度照明形式中频谱存在的“锥形缺失”,通过两种算法的结合提高样品的再现质量。最后,使用直径50μm的二氧化硅微球(n=1.4607)作为标准样品验证算法的有效性,采用基于单次赋值的线性插值算法处理后,结果显示微球折射率的平均值为1.4758,相对误差为1.034%,结合使用基于单次赋值的线性插值算法与正约束迭代算法后,微球折射率的平均值为1.4661,相对误差为0.3697%。与传统最近邻插值算法相比,测量精度均有较大提升。设计并搭建了基于振镜改变照明角度的数字全息衍射层析实验装置。利用振镜改变照明方向并结合透镜成像特性,实现了大角度照明,并使物体的照明光斑位置保持不变且亮度较为均匀。多角度下记录的全息图的亮度保持一致,有利于提高三维层析成像质量。在此基础上,对激光烧蚀的光学样品有机玻璃(PMMA)进行三维折射率重建,得到不同深度下的折射率分布,在激光烧蚀区域随深度的增大有机玻璃的折射率随之变大。随后,对活体生物样品人乳腺癌细胞T47D和人乳腺癌细胞MDA-MB-231进行了层析成像,特别是动态监测了人乳腺癌细胞MDA-MB-231在120分钟内的形态和折射率变化。数字全息衍射层析为光学元件质量评估、生物样品的形态和折射率检测提供了无损定量的三维成像手段,具有重要的检测实用意义。