波前畸变

2020-12-17 09:45:12 浏览:1724

定义

波前就是波振面,也叫等相面,若波前在经过一定的传输介质后与传输前发生了改变,比如不再是球面波或者平面波了,称为波前发生了畸变。

畸变来源

波前畸变在生物成像系统里面不可避免,现以双光子显微系统为例,分析整个成像系统的波前畸变来源。理想的双光子成像过程是,从物镜出射的光经过折射率均一的理想介质,在焦点处激发荧光后,再次穿过理想介质,被探测器捕捉。实际激发过程中,光在经过透镜等光学元件以及经过样品后,由于成像元件的设计和摆放位置不理想,样品折射率不均匀,导致光偏离理想光路产生波前畸变。畸变会使图像失真,信号减弱和分辨率下降,制约双光子成像的效果。

在该系统中,畸变来源有:

1、光学成像系统。由于成像系统中元件的尺寸远远大于激发光的波长,因此使用几何光学的理论能够很好的描述和解释光学系统产生的波前畸变。根据几何光学的分析可知,在成像系统中只有平面反射镜是能完善的物理成像,即光经过反射镜不产生波前畸变。光经过透镜,由于透镜设计和做工等方面的原因,光束不能按照理想状态聚焦或者变换,因此产生了各种像差。受像差影响成像光束的对称性等性质发生改变,根据畸变对成像结果的影响将像差分为单色像差和色像差。其中单色像差可分为慧差、球差、像散和像面弯曲等,色差则分为位置色差和倍率色差。为了方便在矢量衍射理论表示各个像差,通常使用Zernike多项式。首先因为Zernike多项式是单位圆上的一组正交分解,符合圆形光瞳的实际情况,此外Zernike多项式的各项可以对应于几何光学中的球差像散等具有实际意义的像差,方便有针对的矫正。  

2、生物样品。双光子成像的波长范围恰好在生物组织光学窗口,在个波长区间内光在生物组织内达到最大穿透深度。根据辐射传输理论可知在这个波段,生物体对光的吸收主要产生在血液、水、黑色素和脂肪等物质,光的散射主要发生在组织内部折射率变换的地方。一般来说,细胞核和线粒体是生物组织内主要的散射体,散射体的尺寸在0.1 μm到6 μm不等。将折射率较低的成分例如细胞质和细胞间液定义为背景介质,其折射率在在1.36左右,另外将折射率高的组分如连接纤维和细胞核细胞器定义为散射介质。这两者的交替分布导致了折射率空间上变化。

测量方法

目前,波前畸变场的测量方法有:纹影和阴影方法,干涉测量方法以及波面 传感器和背景纹影(BOS)方法。其中,波面传感器是当前研究波面畸变的主要仪器之一,但其空间分辨率一直受限于微透镜板的尺寸以及CCD的大小,整套系统包括激光源、平行光学组件、缩放光束孔径的可伸缩光学器件等,费用较高;而高分辨率的干涉系统十分昂贵、易受环境干扰且后处理算法复杂,以全息双光路干涉技术为例,若两次曝光间有振动或相位变化都会在全息干涉图上表现出来,将出现黑条纹或反相情况的全息图(很难进行准确的判读和处理)。BOS方法测量光路简单,已用于波前畸变场测量,国外有用CCD相机、以森林为背景测量直升飞机旋翼绕流密度场的报道。该方法被认为是具有巨大应用前景的一种波前畸变场测量技术。

参考文献

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成像基本概念

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