CN107677201B - 基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于光学成像校正技术领域，提供了一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法及装置，包括：利用共轴数字全息显微系统采集待测物体的全息图，作为原始全息图；将所述原始全息图顺时针或者逆时针旋转180°，得到一幅数字参考全息图，作为旋转全息图；利用数字全息显微中傅里叶变换法对所述原始全息图进行相位恢复处理，得到原始展开相位图利用数字全息显微中傅里叶变换法对所述旋转全息图进行相位恢复处理，得到旋转展开相位图将所述原始展开相位图和所述旋转展开相位图相减，得到对所述原始展开相位图补偿后的相位图；本发明提供的方法实现了快速且准确的共轴数字全息显微成像中的倾斜相位误差补偿。

Description

基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法及装置
技术领域
本发明属于光学成像校正技术领域，尤其涉及一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法及装置。
背景技术
数字全息显微作为一种定量相位测量技术，只需单幅全息图就可以获取待测物体的定量振幅信息和相位信息，具有非接触、无标记、高分辨率、低成本等优点。其中，共轴数字全息显微结构也因为具有较高的时间稳定性和紧凑特性，常应用于对细胞和微光学元件的定量测量。共轴数字全息显微系统的特点是物光光路和参考光光路走过相同的光学路径，因此该结构不仅可以保持系统的稳定性，而且能够消除系统中由于显微物镜的使用引入的二次相位误差。
共轴数字全息显微测量系统通常采用离轴结构，物光和参考光传播方向之间存在一定夹角，该结构可以很好的分离全息图频谱的不同衍射级，解决了同轴结构中孪生像重叠的问题，从而可以实现单幅全息图获取物体准确的相位信息。然而离轴结构会引入倾斜相位因子，造成重建相位有一定角度的倾斜误差，影响定量相位测量的准确性；共轴全息显微系统中的共轴结构不能消除离轴结构引入的倾斜误差，该倾斜误差只能通过数值补偿方法去除，因此为了获得准确物体的相位信息，需要对重建相位进行倾斜相位误差补偿。
为了消除共轴数字全息显微中的离轴倾斜，有人提出频谱中心平移法，在全息图频谱中把虚像的频谱平移到频谱中心，从而消除离轴倾斜，然而频谱中心定位的精度仅限于整像素，需要进一步去除残余倾斜分布。有人提出利用相位模板的数值补偿方法消除离轴倾斜，相位模板可以从系统的预先知识或者采集无样本全息图得到，但是该方法需要预先知道系统的参数，或是需要采集二幅全息图，不适合动态测量。有人提出利用多项式拟合方法消除离轴倾斜，该方法需要额外的数值拟合计算，增大计算量，易受噪声影响。
因此，我们需要寻找一种快速而且准确的倾斜相位误差补偿的方法。
发明内容
本发明提供一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法及装置，旨在提供一种快速且准确的共轴数字全息显微成像中的倾斜相位误差补偿方法。
本发明提供了一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法，包括：
利用共轴数字全息显微系统采集待测物体的全息图，作为原始全息图；
将所述原始全息图顺时针或者逆时针旋转180°，得到一幅数字参考全息图，作为旋转全息图；
利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述原始全息图进行相位恢复处理，得到原始展开相位图
利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述旋转全息图进行相位恢复处理，得到旋转展开相位图
将所述原始展开相位图和所述旋转展开相位图相减，得到对所述原始展开相位图补偿后的相位图。
进一步地，所述利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述原始全息图进行相位恢复处理，得到原始展开相位图包括：
对所述原始全息图进行傅立叶变换得到所述原始全息图的频谱，并提取+1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到原始展开相位图
进一步地，所述利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述旋转全息图进行相位恢复处理，得到旋转展开相位图包括：
对所述旋转全息图进行傅立叶变换得到所述旋转全息图的频谱，并提取-1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到旋转展开相位图
本发明还提供了一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿装置，包括：
采集模块，用于利用共轴数字全息显微系统采集待测物体的全息图，作为原始全息图；
旋转模块，用于将所述原始全息图顺时针或者逆时针旋转180°，得到一幅数字参考全息图，作为旋转全息图；
第一处理模块，用于利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述原始全息图进行相位恢复处理，得到原始展开相位图
第二处理模块，用于利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述旋转全息图进行相位恢复处理，得到旋转展开相位图
补偿模块，用于将所述原始展开相位图和所述旋转展开相位图相减，得到对所述原始展开相位图补偿后的相位图。
进一步地，所述第一处理模块，具体用于对所述原始全息图进行傅立叶变换得到所述原始全息图的频谱，并提取+1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到原始展开相位图
进一步地，所述第二处理模块，具体用于对所述旋转全息图进行傅立叶变换得到所述旋转全息图的频谱，并提取-1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到旋转展开相位图
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法及装置，仅需采集一幅全息图，将该全息图顺时针或者逆时针旋转180°，得到另外一幅全息图，根据傅立叶变换的旋转不变性，将旋转前后两幅全息图恢复的展开相位相减，即可消除离轴倾斜带来的相位误差，得到消除误差后的待测物体的原始展开相位图；本发明提供的方法不需要预先知道系统的参数信息和复杂的频谱中心平移操作以及大量的拟合数值运算，能快速且准确的进行数字全息显微成像中的倾斜相位误差补偿，可适用于动态实时定量相位成像，特别是对于共轴数字全息显微系统的定量相位测量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法的处理过程示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的利用共轴数字全息显微系统采集得到的微透镜阵列全息图；
图3(b)是本发明实施例提供的对图3a经过傅里叶变换得到的频谱示意图；
图3(c)是本发明实施例提供的提取图3b中的+1级频谱得到的展开相位分布示意图；
图3(d)是本发明实施例提供的对原始全息图顺时针或者逆时针旋转180°得到的旋转全息图；
图3(e)是本发明实施例提供的对图3d经过傅里叶变换得到的频谱示意图；
图3(f)是本发明实施例提供的提取图3e中的-1级频谱得到的展开相位分布示意图；
图4(a)是本发明实施例提供的方法恢复的补偿后待测微透镜阵列的包裹相位分布示意图；
图4(b)是本发明实施例提供的方法恢复的相位分布示意图，其中，灰色虚线框对应的是补偿后的相位图，白色虚线框对应的是增加的旋转相位；
图4(c)是本发明实施例提供的将相位分布图4(b)转为3D高度分布示意图；
图4(d)是本发明实施例提供的在图4(b)标号为(1)白色曲线区域对应的高度轮廓分布示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿装置的模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的主要实现思想为：首先利用共轴数字全息显微系统采集得到待测物体的全息图，作为原始全息图；然后对原始全息图顺时针或者逆时针旋转180°，得到一幅新的全息图，作为旋转全息图；对原始全息图提取+1级频谱，得到原始展开相位图；对旋转全息图提取-1级频谱，得到旋转展开相位图；将原始展开相位图和旋转展开相位图相减，即得到对原始展开相位图补偿后的相位图。
下面具体介绍本发明提供的一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法，如图1所示，包括：
步骤S101，利用共轴数字全息显微系统采集待测物体的全息图，作为原始全息图；
具体地，本发明是利用共轴数字全息显微系统作为系统结构，利用所述共轴数字全息显微系统中的CCD相机采集待测物体的全息图，作为原始全息图。
步骤S102，将所述原始全息图顺时针或者逆时针旋转180°，得到一幅数字参考全息图，作为旋转全息图；
具体地，本发明只需采集一幅全息图，然后将所述全息图作为原始全息图顺时针或逆时针旋转180°，即可得到另一幅数字参考全息图，作为旋转全息图。
步骤S103，利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述原始全息图进行相位恢复处理，得到原始展开相位图
具体地，对所述原始全息图进行二维傅立叶变换得到所述原始全息图的频谱，并提取+1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到原始展开相位图具体处理过程如图2所示。
步骤S104，利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述旋转全息图进行相位恢复处理，得到旋转展开相位图
具体地，对所述旋转全息图进行二维傅立叶变换得到所述旋转全息图的频谱，并提取-1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到旋转展开相位图
步骤S105，将所述原始展开相位图和所述旋转展开相位图相减，得到对所述原始展开相位图补偿后的相位图。
具体地，所述补偿后的相位图，指的是去除了倾斜相位误差的原始展开相位图。由于我们使用的共轴数字全息显微系统是离轴结构，所以恢复的物体相位分布会引入倾斜误差；而本申请提到的方法，根据傅立叶变换的旋转不变性，旋转前后全息图恢复的相位分布具有相同倾斜相位误差分布，所以相减可以把该倾斜误差去掉，得到物体原始的相位分布。
为了测试基于波前旋转的快速相位补偿方法的有效性，本发明实施例选取微透镜阵列作为待测物体，对应的倾斜相位误差补偿结果如图3(a)-图3(f)和图4(a)-图4(d)所示。
图3(a)是待测物体的原始全息图；图3(b)是原始全息图3(a)经过傅立叶变换的频谱，图中用小框框出的是+1级频谱，d1和d2分别是+1级和-1级频谱中心到零级频谱中心的距离，这两个值反映了离轴结构中倾斜角度的多少；图3(c)是通过提取3(b)中+1频谱恢复得到的展开相位，可以看出未补偿之前恢复的相位有倾斜误差；图3(d)是对原始全息图3(a)顺时针或者逆时针旋转180°得到的旋转全息图；图3(e)是旋转全息图经过傅立叶变换的频谱，图中小框框出的是-1级频谱，d3和d4分别是-1级和+1级频谱中心到零级频谱中心的距离；图3(f)是通过提取3(e)中-1频谱恢复得到的展开相位，可以看出旋转全息图恢复的相位仍有倾斜误差，我们可以通过将原始全息图+1级频谱恢复得到的展开相位减去旋转全息图-1级频谱恢复得到的展开相位，既可得到补偿后的相位图。
图4(a)-图4(d)说明了所提方法的准确性，图4(a)是利用所提方法所恢复补偿后的包裹相位分布；图4(b)是利用所提方法所恢复的补偿后的相位分布，灰色虚线框对应的是补偿后的相位图，因为对全息图旋转，所以原始相位也旋转了，白色虚线框对应的是增加的旋转相位，该旋转相位可以通过图像处理方法去掉；图4(c)是将相位分布图(b)转为3D高度分布；图4(d)是沿图4(b)标号为(1)的白色虚线所对应的高度轮廓分布，其对应的透镜阵列高度为h＝5.62um，透镜阵列的直径D＝119um，计算出来的曲率半径ROC＝318um，该待测物体出厂值ROC＝315um，计算得到的在误差范围之内，可以看出所提方法能够消除倾斜误差，得到准确的相位分布。
本发明提供的一种基于波前旋转的快速相位误差补偿方法，不需要预先知道系统的参数信息和复杂的频谱中心平移操作以及大量的拟合数值运算，能快速且准确的进行数字全息显微成像中的相位误差补偿，可适用于动态实时定量相位成像，特别是对于共轴数字全息显微系统的定量相位测量。
本发明还提供了一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿装置，如图5所示，包括：
采集模块201，用于利用共轴数字全息显微系统采集待测物体的全息图，作为原始全息图；
具体地，本发明是利用共轴数字全息显微系统作为系统结构，利用所述共轴数字全息显微系统中的CCD相机采集待测物体的全息图，作为原始全息图。
旋转模块202，用于将所述原始全息图顺时针或者逆时针旋转180°，得到一幅数字参考全息图，作为旋转全息图；
具体地，本发明只需采集一幅全息图，然后将所述全息图作为原始全息图顺时针或逆时针旋转180°，即可得到另一幅数字参考全息图，作为旋转全息图。
第一处理模块203，用于利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述原始全息图进行相位恢复处理，得到原始展开相位图
具体地，所述第一处理模块203，用于对所述原始全息图进行二维傅立叶变换得到所述原始全息图的频谱，并提取+1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到原始展开相位图
第二处理模块204，用于利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述旋转全息图进行相位恢复处理，得到旋转展开相位图
具体地，所述第二处理模块204，用于对所述旋转全息图进行二维傅立叶变换得到所述旋转全息图的频谱，并提取-1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到旋转展开相位图
补偿模块205，用于将所述原始展开相位图和所述旋转展开相位图相减，得到对所述原始展开相位图补偿后的相位图。
具体地，所述补偿后的相位图，指的是去除了倾斜相位误差的原始展开相位图。由于我们使用的共轴数字全息显微系统是离轴结构，所以恢复的物体相位分布会引入倾斜误差；而本申请提到的方法，根据傅立叶变换的旋转不变性，旋转前后全息图恢复的相位分布具有相同倾斜相位误差分布，所以相减可以把该倾斜误差去掉，得到物体原始的相位分布。
本发明提供的一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿装置，不需要预先知道系统的参数信息和复杂的频谱中心平移操作以及大量的拟合数值运算，能快速且准确的进行数字全息显微成像中的倾斜相位误差补偿，可适用于动态实时定量相位成像，特别是对于共轴数字全息显微系统的定量相位测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法，其特征在于，包括：
利用共轴数字全息显微系统采集待测物体的全息图，作为原始全息图；
将所述原始全息图顺时针或者逆时针旋转180°，得到一幅数字参考全息图，作为旋转全息图；
利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述原始全息图进行相位恢复处理，得到原始展开相位图
利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述旋转全息图进行相位恢复处理，得到旋转展开相位图
将所述原始展开相位图和所述旋转展开相位图相减，得到对所述原始展开相位图补偿后的相位图。
2.如权利要求1所述的快速倾斜相位误差补偿方法，其特征在于，所述利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述原始全息图进行相位恢复处理，得到原始展开相位图包括：
对所述原始全息图进行傅立叶变换得到所述原始全息图的频谱，并提取+1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到原始展开相位图
3.如权利要求1所述的快速倾斜相位误差补偿方法，其特征在于，所述利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述旋转全息图进行相位恢复处理，得到旋转展开相位图包括：
对所述旋转全息图进行傅立叶变换得到所述旋转全息图的频谱，并提取-1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到旋转展开相位图
4.一种基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于利用共轴数字全息显微系统采集待测物体的全息图，作为原始全息图；
旋转模块，用于将所述原始全息图顺时针或者逆时针旋转180°，得到一幅数字参考全息图，作为旋转全息图；
第一处理模块，用于利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述原始全息图进行相位恢复处理，得到原始展开相位图
第二处理模块，用于利用共轴数字全息显微中傅里叶变换法对所述旋转全息图进行相位恢复处理，得到旋转展开相位图
补偿模块，用于将所述原始展开相位图和所述旋转展开相位图相减，得到对所述原始展开相位图补偿后的相位图。
5.如权利要求4所述的快速倾斜相位误差补偿装置，其特征在于，所述第一处理模块，具体用于对所述原始全息图进行傅立叶变换得到所述原始全息图的频谱，并提取+1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到原始展开相位图
6.如权利要求4所述的快速倾斜相位误差补偿装置，其特征在于，所述第二处理模块，具体用于对所述旋转全息图进行傅立叶变换得到所述旋转全息图的频谱，并提取-1级频谱，进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到旋转展开相位图
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