题目：基于数字全息的生物细胞相衬显微成像方法研究

    太空为人类提供了一个特殊的科学实验环境和生存工作环境。生物细胞是高等生物体的基本结构和功能单元，也是空间生物实验研究的重要对象。在空间微重力和强辐射环境的刺激下，生物细胞将产生一定的特殊变化，导致一些新的生物效应的出现。开展空间细胞生物学研究，有助于保障航天员的健康和安全，促进对生命现象本质的理解和认识，推动地面农业和医药产业的发展。空间细胞生物学的实验研究分为空间搭载和地面模拟两种方式，均需要在复杂条件下对特定生物细胞进行连续培养和动态显微观测。现有的显微成像方法由于成像原理和技术特点的限制，在空间细胞生物学的观测分析中存在一定的不足。数字全息显微技术是结合数字全息原理和光学显微技术而迅速发展起来的一种新型显微成像技术，能够对透明样品进行无损无标记的动态定量相衬成像和分析，同时便于针对应用环境进行成像系统的优化设计，在空间细胞生物学的成像观测领域具有良好的应用前景。本文的内容即围绕生物细胞的数字全息相衬显微成像方法展开。

    首先，介绍了生物细胞数字全息相衬显微成像的基本原理。从数字全息的基本原理出发，详细阐述了离轴预放大数字全息显微的记录和再现过程，对记录条件和再现算法进行了细致分析，并给出了生物细胞定量相衬成像的基本关系式。

    其次，提出了基于频谱能量加权分析的相位畸变校正方法。相位畸变校正是数字全息显微的核心技术，是完成生物细胞定量相衬成像分析的前提。本文在分析相位畸变来源和特点的基础上，建立了相位畸变的数学模型，针对生物细胞成像过程中物光波频谱能量的分布特点，定义了频谱能量加权分析判据，通过非线性最优化算法进行了相位畸变的重构和补偿。该方法能够利用单幅数字全息图实现相位畸变的自动和准确校正，能够适应生物细胞动态观测智能化、高可靠性的成像要求。

    再次，提出了基于再现物光波复振幅分析的相位解包裹方法。相位解包裹是获取细胞形态信息的关键环节。本文针对生物细胞数字全息相衬显微的成像特点，利用再现物光波复振幅的空域变化评估了噪声造成的相位偏差，得到了相位数据的可靠性，并以可靠性作为导引进行路径选择，完成相位解包裹处理。该方法能够充分抑制低可靠性数据对于解包裹结果的影响，有效减小解包裹误差，提高相位解包裹过程的抗噪声能力，从而在复杂工作环境下具有更强的适应能力。

    最后，进行了长时间模拟微重力条件下的生物细胞动态相衬成像研究。在抗磁悬浮原理的基础上，采用超导磁体系统作为微重力模拟平台，获得了一个能够长时间稳定的微重力环境。针对超导磁体系统的特点，设计了与之配合的数字全息显微成像光路，开发了数字全息显微记录和再现软件，对小鼠骨细胞的活体样品在模拟微重力条件下的细胞分裂过程进行了观测，并与常规重力条件下的细胞分裂过程进行了对比分析，验证了数字全息显微技术应用于空间细胞生物学成像观测的可行性，为进一步分析微重力对细胞结构和功能的影响打下了良好的基础。