CN103838124A - 面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术。它将待测样品在测量平面内以叠层扫描的方式依次进行平移，并用图像传感器记录下相应的全息图；通过使用基于叠层扫描的数字全息重建算法对记录的系列全息图进行处理，可以获得待成像样品增大了视场的复振幅图像。由于叠层扫描提供了相邻视场间的信息冗余度约束，因此本发明有效地解决了大视场数字全息成像中的视场拼接和图像融合问题。同时，全息记录的数据处理方式也使得叠层迭代本身的收敛速度和抗噪声干扰能力得到较大幅度地提升。本发明成像效率高，可移植性好，可适用于各种透射型或反射型物体的相位定量测量和显微成像。

Description

面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术

技术领域

本发明涉及一种扩大视场的数字全息术，具体涉及一种将待测样品在物平面内以叠层扫描(Ptychographic scanning)的方式来平移以扩大视场的数字全息术。

背景技术

数字全息(Digital Holography)使用数字式相机(如CCD)代替照相干板来拍摄物体的全息图，省去了化学上的湿法处理。其最大的优势是能够直接在计算机上定量分析待测样品的振幅和位相，而且还可以较方便地对探测过程中的一些误差信息进行抑制处理，因此引起了业内学者很大的研究兴趣，得到了较快的发展，它在三维形貌测量、生物显微成像和粒子场测量等领域有着广泛的应用前景。

但是，由于数字全息光路中使用的CCD的感光芯片尺寸有限(毫米量级)，因此它的视场范围也相应较小，这成为数字全息成像系统的一个主要缺陷之一，很大程度上限制了它的应用前景。为了消除该项缺陷，主要的办法是移动物体或CCD以接收更多的待测样品信息，并将全息图合成来扩大视场。如发明专利CN200410016479提出了一种高分辨率大视场数字全息装置，实用新型专利CN200420082611和CN201020599373进一步提出了合成大尺寸全息图的装置系统。但在这些方法中，由于记录的是不同样品区域的全息图，因此视场拼接就成为一个比较突出和困难的问题。特别是当系统存在一些移动误差时，二维图像融合的难度会进一步加大。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，在增大数字全息视场的同时解决视场拼接中的图像融合问题。

本发明的目的可通过以下技术措施实现：

第一步，将待测样品在物平面内按叠层扫描的方式进行平移，并用图像传感器依次记录下各扫描位置所对应的全息图；第二步，使用基于叠层扫描的数字全息算法对全息图进行处理，在计算机上得到待测样品的大视场复振幅图像。

所述叠层扫描是这样一种扫描方式，待测样品在物平面内依次平移一定的距离，平移时需保证相邻平移位置间待测样品上被光束照明的区域内存在一定的交叠。该交叠区域即提供了相邻视场内信息冗余度的约束，以解决视场拼接中的图像融合问题。

上述技术措施的具体描述如下：

(1)叠层扫描数字全息术的记录。

待测样品O(x，y)被照明探针P_n(x，y)(n=1，2，3...表示不同的扫描位置)照明并传播至图像传感器CCD上，因此CCD上物光的复振幅为：

O_cn(ξ，η)=FrT_λ，d[p_n(x，y)·O(x，y)]    (1)

其中FrT为菲涅尔变换算符，λ为所用激光的波长，d为衍射距离。设参考光为R，则CCD拍摄的全息图可表示为：

$\begin{array}{c}{I}_n(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})={|O_{\mathrm{cn}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})+R|}^2\\ =O_{\mathrm{cn}}^2(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})+R^2+{\mathrm{RO}}_{\mathrm{cn}}^{*}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})+R^{*}{O}_{\mathrm{cn}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\end{array}---\left(2\right)$

其中*为复共轭算符。移动样品进行叠层扫描并记录各扫描位置下的全息图，由于样品上更多的区域被光束照明，因此数字全息的视场能够得到有效地增大。

(2)叠层扫描数字全息术的重建。

由于全息图是数字记录，因此可以在计算机完成待测样品的复振幅成像。成像所用算法为基于叠层扫描的数字全息重建算法，该算法是数字全息和叠层成像二者的优化结合，包括全息处理和叠层迭代两个方面。

第一方面为全息处理过程。为了提高成像效率和质量，可针对样品上不同的扫描位置P_n(x，y)采用不同的全息图处理方式。如一个样品的所有扫描位置为P₁(x，y)-P₉(x，y)，其中特殊区域(样品位相变化较大或扫描交叠不充分的区域)为P₁(x，y)-P₄(x，y)，而其他一般扫描区域为P₅(x，y)-P₉(x，y)。则相应的全息图处理为：对于P₁(x，y)-P₄(x，y)，处理其全息图I₁(ξ，η)-I₄(ξ，η)得到CCD上物体的复振幅O_c1(ξ，η)-O_c4(ξ，η)；而对于一般的扫描位置P₅(x，y)-P₉(x，y)，则通过全息图得到相应的振幅强度

即可。该处理过程可进一步依据实际的测量需求来进行优化设置以降低数据的处理量。

第二方面为叠层迭代过程。迭代中的约束量为上面全息处理后的数据信息，由于标记的特殊区域P₁(x，y)-P₄(x，y)可通过全息处理得到精确地恢复O_c1(ξ，η)-O_c4(ξ，η)，且这些精确信息可在迭代过程中作为修正值反复使用，因此叠层迭代本身的速度和抗噪声能力都能够得到较大幅度的提升。迭代的第一步是对待测样品做初始猜测为

(初始时k=1为迭代次数)，由照明探针P_n(x，y)照明后传输到CCD面上：

$O_{\mathrm{gcR}}^k(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})={\mathrm{FrT}}_{\mathrm{\λ},d}[P_n(x,y)\·O_g^k(x,y)]---\left(3\right)$

将处理得到的振幅强度

作为约束条件代入到迭代恢复的过程中：

$O_{\mathrm{gcnR}}^k(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\sqrt{O_{\mathrm{cn}}^2}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\·\frac{O_{\mathrm{gcn}}^k(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})}{\mathrm{abs}\left[O_{\mathrm{gcn}}^k(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right]}---\left(4\right)$

其中abs为取模值运算符，若使用复振幅

作为约束，则直接令

即可。再将(4)式的计算结果逆衍射回物面：

$O_{\mathrm{gnR}}^k(x,y)={\mathrm{FrT}}_{\mathrm{\λ},d}^{-1}\left[O_{\mathrm{gcnR}}^k(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right]---\left(5\right)$

其中FrT¹为逆菲涅尔变换的运算符。接着更新初始样品猜测

更新公式为：

$\widehat{O_g^k}(x,y)=O_g^k(x,y)+U[O_{\mathrm{gnR}}^k(x,y)-P_n(x,y)\·O_g^k(x,y)]---\left(6\right)$

其中U为更新系数：

$U=\frac{\left|P_n(x,y)\right|}{\left|P_{n,\max }(x,y)\right|}\·\frac{P_n^{*}(x,y)}{{\left|P_n(x,y)\right|}^2+\mathrm{\δ}}---\left(7\right)$

其中P_nmax(x，y)表示P_n(x，y)模值的最大值，δ为噪声压缩因子，其值为接近0的常数，通常设为0.01。公式(6)可将扫描后断裂的视场拼接起来的，对于相邻的视场P_n(x，y)和P_n+1(x，y)，由于交叠式的扫描保证了相邻扫描区域间存在一定的交集，于是样品每一次的迭代更新都会调用上一扫描后的重建结果，交集部分的冗余信息即成为重建中的一个有效约束条件，因此解决了传统扫描数字全息视场拼接中的图像融合问题。

完成更新操作后，移至下一照明探针P_n(x，y)(n=n+1)，并将初始猜测

替换为

重复公式(3)-(6)直到最后一个照明位置。持续进行以上迭代过程，即k=k+1，直到k的值达到设定的阈值，通常情况下k=100已能输出较好地重建结果。

本发明与现有技术相比有以下优点：

(1)利用本发明的成像方法，可以有效地增大传统数字全息成像系统的视场，真正实现视场不受限的复振幅成像；

(2)本发明利用叠层扫描中信息冗余量的约束，有效地解决了传统数字全息大视场成像中的视场拼接和图像融合的问题；

(3)由于是全息记录和处理，因此本发明还可较大幅度地提高叠层迭代本身的收敛速度和抗噪声干扰能力。

本发明所公开的面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术，可适用于各种透射型或反射型物体的相位定量测量和显微成像。

附图说明

图1是本发明的成像方法的过程方框图；

图2a是本发明的成像方法在以透射式同轴相移数字全息为实施例的光路结构图，其中左下虚框内表示的是测量平移平台上物面的照明情况；

图2b是本发明的成像方法在以反射式同轴相移数字全息为实施例的光路结构图，其中左下虚框内表示的是测量平移平台上物面的照明情况；

图3a是实施例中数值模拟实验所用的待测样品的振幅图像，图中右侧的灰度条表示当振幅值分布为[0，1]时所对应的灰阶变化；

图3b是实施例中数值模拟实验所用的待测样品的位相图像，图中右侧的灰度条表示当相位值分布为[-π，π]时所对应的灰阶变化；

图3c是实施例中数值模拟实验的叠层扫描示意图；

图3d是实施例中数值模拟实验扫描位置中心点位的示意图；

图4a是实施例中数值模拟实验中CCD所拍摄的一个0相移全息图；

图4b是实施例中数值模拟实验中CCD所拍摄的一个_π相移全息图；

图4c是实施例中数值模拟实验中所重建的待测样品的振幅图像，图中右侧的灰度条表示当振幅值分布为[0，1]时所对应的灰阶变化；

图4d是实施例中数值模拟实验中所重建的待测样品的位相图像，图中右侧的灰度条表示当相位值分布为[-π，π]时所对应的灰阶变化；

其中，1.激光器、2.准直扩束系统、3.分束镜、4.反射镜、5.压电陶瓷反射镜、6.二维平移平台、7.图像传感器CCD、8.计算机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明包括如下步骤：(1)以叠层扫描的方式移动待测样品；(2)用图像传感器记录各扫描位置处的全息图；(3)在计算机中对全息图进行处理；(4)迭代重建，完成大视场复振幅成像。

图2a和图2b分别是本发明的成像方法在透射式和反射式同轴相移数字全息中的两种典型实施方式的光路结构图。该结构包括激光器1、准直扩束系统2、分束镜3、反射镜4、压电陶瓷反射镜5、二维平移平台6、图像传感器7和计算机8。平移平台6到图像传感器7的距离为d。压电陶瓷反射镜5、平移平台6和图像传感器7分别由计算机8控制完成相移量添加、叠层扫描和全息图数字记录。从所记录的全息图中提取待测样品的复振幅信息并完成整个大视场的拼接由根据本发明方法设计的计算机程序完成。

图3a—图3d是针对上述实施例所进行的计算机数值模拟实验中使用的初始设置数据。图3a和图3b分别为实验中所用待测样品的振幅和位相信息，它们均为256×256像素，振幅被归一化至[0，1]，位相被归一化至[-π，π]。图3c为叠层扫描示意图，照明探针为100×100像素，相邻照明区域的交叠比率为0.5。图3d为实验中所使用的叠层扫描位置图，图中共有4×4个扫描位置，每个扫描位置的中心点都用“+”标出，并用符号P_mn(m，n分别为扫描矩阵的行和列序数)进行标记以示区别，其中四个扫描位置(P₁₁、P₁₄、P₄₁和P₄₄)作为特殊扫描点被用方框标记出来。实验中，激光波长λ为632.8纳米，图像传感器与平移平台的间距d为30毫米，图像传感器的像素大小为6.45微米。

图4a和图4b为上述实验中图像传感器所拍摄的两个分别为0相移和π相移的全息图。图4c和图4d分别为使用本发明方法设计的计算机程序所输出的待测样品全视场重建振幅和位相图像，迭代次数k＝100。由于实施例为同轴相移数字全息，因此对全息图进行处理所依据的公式如下：

$O_{\mathrm{cn}}^2(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{I_n^o(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})+I_n^{\mathrm{\π}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})}{2}-R^2---\left(8\right)$

$O_{\mathrm{cn}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{1}{4R^{*}}\{I_n^o(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})-I_n^{\mathrm{\π}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})+i\·\[I_n^{\mathrm{\π}/2}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})-I_n^{3\mathrm{\π}/2}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})-I_n^{3\mathrm{\π}/2}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})]\}---\left(9\right)$

其中

和分别表示0、π／2、π和3π／2所对应的相移干涉图，

为虚数。以上全息图处理可获得待测样品在图像传感器接收面上的衍射振幅强度信息

(一般扫描位置)和衍射复振幅信息

(特殊扫描位置，即P₁₁、P₁₄、P₄₁和P₄₄)，并作为约束条件代入到迭代重建的过程中。

上述方法和实施例都是通过叠层扫描的方式记录下待测样品不同部位的全息图，并对全息图进行处理和叠层迭代重建完成大视场复振幅成像的目的。本发明的实施不局限于上述具体实施方案。只要是通过叠层扫描和叠层迭代重建来扩大视场的数字全息成像方法、装置和系统，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术，其成像过程包括以下步骤：

第一步，将待测样品在物平面内以叠层扫描的方式进行平移，并用图像传感器依次记录各扫描位置所对应的全息图；

第二步，使用基于叠层扫描的数字全息算法对全息图进行处理，在计算机上得到待测样品的大视场复振幅图像。

2.如权利要求1中所使用的基于叠层扫描的数字全息重建算法，其特征在于，该算法既解决了数字全息的视场拼接和图像融合问题，又提高了叠层迭代的收敛速度和抗噪声干扰能力。

3.如权利要求1和2中所述的叠层扫描，其特征在于，待测样品在物平面二维坐标内依次平移一定的距离完成扫描，并保证相邻平移位置间待测样品上被光束照明的区域内存在一定的交叠。

4.如权利要求1中所述的全息图处理，其特征在于，对于标定的特殊扫描位置，处理全息图得到物体在记录平面上的衍射复振幅信息，而对于一般扫描位置，则处理全息图得到物体的衍射振幅强度信息。

5.如权利要求1、2和3中所述的叠层扫描，其特征在于，可以根据实际照明光束和待测样品的相对大小进行优化设计。

6.如权利要求1中所述的面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术，可适用于各种透射型或反射型物体的相位定量测量和显微成像。

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