CN108180867B - 一种定量相位测量方法、装置和系统 - Google Patents
一种定量相位测量方法、装置和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种定量相位测量方法、装置和系统，涉及光学成像技术领域。其中，该方法包括：获取多个离焦距离下待测物体的离焦全息图，根据多个离焦全息图，得到待测物体的复振幅分布，由复振幅分布计算待测物体的系统相位分布，并从系统相位分布中提取待测物体的相位分布。采用多个离焦全息图，即可得到待测物体的相位分布。不但避免频谱选择和引入相移单元，而且避免对待测物体的假设和预先系统知识的获取，进而使测量得到的相位准确，操作简单。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种定量相位测量方法、装置和系统。
背景技术
数字全息显微是一种定量相位测量技术，定量相位恢复的方法主要有傅立叶变换法和相移法。在离轴数字全息显微中，傅立叶变换法可以实现单幅全息图恢复物体相位，因此可以应用于物体的动态测量。但是傅立叶变换法要求选取比较完整的+1频谱分量，否则频谱遗漏会引入测量误差。然而对于不同的待测物体，其不同频谱分量有可能重叠，这就对离轴结构有比较高的要求，需要较大的离轴角度。为了避免频谱选取操作，Yamaguchi等人提出相移法，可以得到准确的相位分布。为了减少所需要的相移图，有学者提出2步相移法，但是相移法存在的一个问题是需要引入相移单元来产生所需的相移。
最近，有学者提出dual-plane法，该方法采集2幅离焦全息图，通过代数运算可以恢复出待测物体的相位分布。基于离焦相位恢复的方法可以避免复杂的频谱选择操作和引入相移装置。为了消除全息图的零级像和孪生像，很多学者提出不同的dual-plane法。有些方法需要假设物光强度弱于参考光强度；有些仍需要引入pi相移；有些需要知道系统的预先知识(提前记录参考光强度)。这些需求限制了基于离焦全息图相位恢复方法在数字全息显微成像中的实际应用。
由于现有的定量相位测量存在复杂的频谱选择操作和引入相移装置，会造成定量相位测量不准确的问题，此外，对待测物体的假设和预先测量系统知识的获取也存在操作复杂的问题。
发明内容
本发明提供一种定量相位测量方法、装置和系统，旨在解决现有的定量相位测量不准确及操作复杂的问题。
本发明第一方面提供一种定量相位测量方法，包括：
获取多个离焦距离下待测物体的离焦全息图；
根据所述多个离焦全息图，得到所述待测物体的复振幅分布；
由所述复振幅分布计算所述待测物体的系统相位分布，并从所述系统相位分布中提取所述待测物体的相位分布。
本发明第二方面提供一种定量相位测量装置，包括：
第一获取模块，用于在多个离焦距离下获取待测物体的离焦全息图；
第二获取模块，用于根据获取到的多个离焦全息图，得到所述待测物体的复振幅分布；
提取模块，用于由所述复振幅分布计算所述待测物体的系统相位分布，并从所述系统相位分布中提取所述待测物体的相位分布。
本发明第三方面提供一种定量相位测量系统，包括：采集装置和终端；
所述采集装置，用于采集多个离焦距离下待测物体的离焦全息图；
所述终端为本发明第二方面所述的定量相位测量装置。
本发明实施例提供的定量相位测量方法、装置和系统，采用3个离焦全息图，即可得到待测物体的相位分布。不但避免频谱选择和引入相移单元，而且避免对待测物体的假设和预先系统知识的获取，该方法测量得到的相位准确，操作简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1是本发明第一实施例提供的一种定量相位测量方法的流程示意图；
图2是本发明第二实施例提供的一种定量相位测量方法的流程示意图；
图3(a)～图3(c)是本发明第二实施例提供的不同离焦距离的干涉全息图；
图4(a)～图4(c)是本发明第二实施例提供的相位分布示意图；
图5是本发明第三实施例提供的一种定量相位测量装置的结构示意图；
图6是本发明第四实施例提供的一种定量相位测量装置的结构示意图；
图7是本发明第五实施例提供的一种定量相位测量系统的结构示意图；
图8是本发明第五实施例提供的采集装置的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的定量相位测量方法的流程示意图，图1所示的方法包括：
S101、获取多个离焦距离下的待测物体的离焦全息图；
S102、根据获取到的多个离焦全息图，得该待测物体的复振幅分布；
S103、由该复振幅分布计算该待测物体的系统相位分布，并从该系统相位分布中提取该待测物体的相位分布。
本发明提供的定量相位测量方法，采用多个离焦全息图，即可得到待测物体的相位分布。不但避免频谱选择和引入相移单元，而且避免对待测物体的假设和预先系统知识的获取，该方法测量得到的相位准确，操作简单。
请参阅图2，图2为本发明第二实施例提供的定量相位测量方法的流程示意图，图2所示的方法包括：
S201、获取多个离焦距离下的待测物体的离焦全息图；
具体地，获取马赫曾德结构的数字全息显微系统在多个离焦距离下采集待测物体的离焦全息图。
优选地，获取三个离焦距离下的离焦全息图。
设离焦距离分别为z1、z2和z3，采集到的离焦全息图分别为Iz1、Iz2和Iz3，则
Iz1(x1,y1)＝|Oz1(x1,y1)|2+|R|2+Oz1(x1,y1)R*+Oz1*(x1,y1)R (1)
Iz2(x2,y2)＝|Oz2(x2,y2)|2+|R|2+Oz2(x2,y2)R*+Oz2*(x2,y2)R (2)
Iz3(x3,y3)＝|Oz3(x2,y2)|2+|R|2+Oz3(x2,y2)R*+Oz3*(x2,y2)R (3)
其中，Oz1(x1,y1)、Oz2(x2,y2)和Oz3(x2,y2)是原始物光在各个离焦距离下的复振幅分布。根据角谱传播理论，原始物光场复振幅和不同离焦距离下的复振幅分布存在以下关系：
Ozi(xi,yi)＝F-1{F{O(xi,yi)}·Hzi} (4)
其中，i＝1,2,3，F和F-1分别表示傅立叶变换和傅立叶逆变换，Hzi为描述自由空间传播的传递函数，
其中，ξ，η表示频率空间坐标，i表示虚数单位，k表示波数，λ为波长。
在实际应用中，为了产生对应的离焦，本发明采用电控变焦透镜4f系统实现自动离焦，从而可以避免机械移动，则，
其中，f是电控变焦透镜4f系统中前后两透镜的焦距，fETL和fOL分别是电控变焦透镜和补偿透镜的焦距，d是电控变焦透镜和补偿透镜之间的距离(d＝4mm)。通过改变电控变焦透镜的的电流，就能得到不同离焦距离的全息图。
S202、对获取到的多个离焦全息图的表达式做减法运算；
具体地，式(2)减去式(1)，式(2)减去式(3)得到，
Iz2-Iz1＝A+(Oz2-Oz1)R*+(Oz2 *-Oz1 *)R
Iz2-Iz3＝B+(Oz2-Oz3)R*+(Oz2 *-Oz3 *)R
其中，A＝|Oz2|2-|Oz1|2，B＝|Oz2|2-|Oz3|2。
S203、对减法运算后的表达式进行简化和变换，得到该待测物体的复振幅分布式；
具体地，假设参考光波R的复振幅为1，当离焦全息图之间距离很小时，即z2-z1和z2-z3的值很小，此时，可以忽略A和B两项。此外，由于离焦距离改变的只是物光光波的分布，只要相机位置确定，参考光复振幅分布确定，可以假设参考光O的复振幅分布不随离焦距离的改变而改变，此时，OR*和O*R可以看作一个整体。得到以下变换式：
Iz2-Iz1＝(Oz2-Oz1)R*+(Oz2 *-Oz1 *)R
Iz2-Iz3＝(Oz2-Oz3)R*+(Oz2 *-Oz3 *)R
具体地，对变换后使做傅立叶变换得到：
F(Iz2-Iz1)＝F{(Oz2-Oz1)R*}+F{(Oz2 *-Oz1 *)R} (6)
F(Iz2-Iz1)＝F{(Oz2-Oz3)R*}+F{(Oz2 *-Oz3 *)R} (7)
对式(4)进行变换得到：
F{Ozi(xi,yi)}＝F{O(xi,yi)}·Hzi (8)
将式(8)代入到式(6)和式(7)中，得到如下所示：
F(Iz2-Iz1)＝F{OR*}·(Hz2-Hz1)+F{O*R}·(H-z2-H-z1), (9)
F(Iz2-Iz3)＝F{OR*}·(Hz2-Hz3)+F{O*R}·(H-z2-H-z3), (10)
根据式(9)和式(10)，可以求得OR*的复振幅分布为：
S204、由该复振幅分布计算所述待测物体的系统相位分布，并从该系统相位分布中提取所述待测物体的相位分布。
具体地，由该复振幅分布计算所述待测物体的系统相位分布为：
设待测物体的系统相位分布为
则
进一步地，从该系统相位分布中提取所述待测物体的相位分布，具体包括：
步骤一、对该系统相位分布式进行相位解包运算；
由于上述得到的是系统相位分布式，即包裹相位，通过相位解包裹算法，得到连续的相位分布。即，
其中，
是物光光路成像系统引入的相位，
是共轭参考光的相位，
是待测物体的相位分布。
步骤二、对相位解包运算后的表达式进行变换，并消除误差，得到该待测物体的相位分布。
需要说明的是，
是不同物光光波和参考光光波共同作用的系统相位，不同的全息图反应了不同的系统相位。本发明实施例中，物光光路是一个远心成像系统，通过该成像系统成像，物光光波可以认为是一个平面波，那么对于离轴数字全息显微系统，
是由于离轴角度引入的倾斜相位误差。如果参考光波是球面波，
是同轴数字全息显微系统中的二次相位误差。为了得到准确的相位分布，需要消除倾斜误差或者二次相位误差。
利用zernike多项式拟合数值补偿法，去除倾斜误差和二次相位误差，得到待测物体的相位分布式
于本发明的一个实施例，如图3(a)是离焦距离为dz＝-0.2um时采集的干涉全息图，图3(b)是离焦距离为dz＝0um时采集的干涉全息图，该全息图是在聚焦成像平面采集的全息图，图3(c)是离焦距离为dz＝0.2um时采集的干涉全息图。从上述所采集的条纹图看，存在二次相位误差和倾斜误差，需要去除这些误差才能得到准确的相位分布。图4(a)是利用所提方法所恢复的相位分布，采用数值补偿方法去除了倾斜误差和二次相位误差。为了验证所提方法的有效性，我们在实验之前，采集离轴角度较大的全息图，保证可以取得完整的+1级频谱分量，利用傅里叶变换法所恢复的相位分布，其恢复结果如图4(b)所示。图4(c)是在图4(a)和图4(b)白色虚线区域对应的相位轮廓分布示意图，可以看出所提方法可以得到准确的待测物体相位分布，且不需要复杂的频谱选择操作和引入相移单元。
本发明提供的相位分布测量方法，采用多个离焦全息图，即可得到待测物体的相位分布。不但避免频谱选择和引入相移单元，而且避免对待测物体的假设和预先系统知识的获取，该方法测量得到的相位准确，操作简单。
请参阅图5，图5为本发明第三实施例提供的相位分布测量装置的结构示意图，图5所示的结构包括：第一获取模块501、第二获取模块502和提取模块503，各模块的功能如下：
第一获取模块501，用于在多个离焦距离下采集待测物体的离焦全息图。
第二获取模块502，还用于根据获取到的多个离焦全息图，得到该待测物体的复振幅分布。
提取模块503，用于由该复振幅分布计算所述待测物体的系统相位分布，并从该系统相位分布中提取所述待测物体的相位分布。
本发明提供的相位分布测量装置，采用多个离焦全息图，即可得到待测物体的相位分布。不但避免频谱选择和引入相移单元，而且避免对待测物体的假设和预先系统知识的获取，进而使测量得到的相位准确，操作简单。
请参阅图6，图6为本发明第四实施例提供的相位分布测量装置的结构示意图，图6所示的结构包括：第一获取模块601、第二获取模块602和提取模块603，其中，第二获取模块602包括：第一运算模块612和第一变换模块622；提取模块603包括：第一运算模块613和第一变换模块623；各模块的功能如下：
第一获取模块601，用于获取多个离焦距离下的待测物体的离焦全息图。
第二获取模块602，用于根据采集到的多个离焦全息图获取该待测物体的复振幅分布。
提取模块603，用于由该复振幅分布计算所述待测物体的系统相位分布，并从该系统相位分布中提取该待测物体的相位分布。
进一步地，第二获取模块602包括：
第一运算模块612，用于对该多个离焦全息图的表达式做减法运算。
第一变换模块622，用于对减法运算后的表达式进行简化和变换，得到该待测物体的复振幅分布式。
进一步地，提取模块603包括：
第二运算模块613，用于对该系统相位分布式进行相位解包运算。
第二变换模块623，用于对相位解包运算后的表达式进行变换，并消除误差，得到该待测物体的相位分布。
本发明实施例中的未尽细节，请参照图1所示的第一实施例和图2所示的第二实施例，在此不再赘述。
本发明提供的相位分布测量装置，采用多个离焦全息图，即可得到待测物体的相位分布。不但避免频谱选择和引入相移单元，而且避免对待测物体的假设和预先系统知识的获取，进而使测量得到的相位准确，操作简单。
请参阅图7，图7为本发明第五实施例提供的相位分布测量系统的结构示意图，图7所示的系统包括：采集装置701和终端702。
采集装置701，用于采集多个离焦距离下待测物体的离焦全息图。
终端702为本发明图5～6所述的第三和第四实施例中的相位分布测量装置。
其中，终端702实现其功能的细节，请参照图1到图6所示的第一到第四实施例，在此不再赘述。
进一步地，请参照图8，图8为本发明第五实施例提供的相位分布测量系统中采集装置501的结构示意图，其中，采集装置501包括：激光器801、离焦物光光场802、参考光聚光镜803、成像分束镜804和相机805；离焦物光光场802包括：物光聚光镜812、第一光路组件822、物光分束镜832、成像平面842和第二光路组件852；其中，第一光路组件822包括：显微物镜、物镜转台和物光成像透镜。第二光路组件852包括：第一离焦成像透镜、电控变焦透镜、补偿透镜、第二离焦成像透镜。
激光器801，用于发出激光，并通过光纤将该激光分为物光和参考光，以及将该物光输入到离焦物光光场802中，将该参考光输入到参考光聚光镜中805；
离焦物光光场802，用于在不同的离焦距离下对该待测物体进行成像，并将所成的像的光输入到成像分束镜808中；
参考光聚光镜803，用于将该参考光转换为平行光，并输入到该成像分束镜中；
成像分束镜804，用于将该离焦物光光场与该参考光聚光镜输出的平行光合并，并输出到相机805中；
相机805，用于将成像分束镜804输出的光在内置的成像平面上形成干涉全息图。
进一步地，离焦物光光场802包括：物光聚光镜812、第一光路组件822、物光分束镜832、成像平面842和第二光路组件852；
物光聚光镜812，用于将物光转换为平行光，并输入到第一光路组件822中；
第一光路组件822，用于对输入的光进行汇聚以形成该待测物体的像，并将所成的像的光输入到物光分束镜832中；
进一步地，第一光路组件822包括：显微物镜、物镜转台和物光成像透镜。
通过显微物镜，待测物体位于显微物镜的工作距离之内，物镜转台可以放置多个显微物镜，方便切换不同倍率物镜，物光成像透镜8225的前焦平面和显微物镜的后焦平面重合，即显微物镜和物光成像透镜组成4f成像系统。
物光分束镜832，用于将所成的像的光转输入到成像平面842和第二光路组件852中；
成像平面842，用于对该待测物体进行成像；
第二光路组件852，用于改变该待测物体的离焦距离，以得到不同离焦距离下该待测物体的像。
进一步地，第二光路组件852包括：第一离焦成像透镜、电控变焦透镜、补偿透镜、第二离焦成像透镜。
需要说明的是，第二光路组件852中的各个透镜组成4f系统，其中，电控变焦透镜和补偿透镜紧紧耦合在一起，组成一个组合透镜，二者之间距离大约为8mm，该组合透镜位于4f系统的频谱面上。采用基于电控变焦透镜4f系统，避免了机械移动。
请继续参照图3(a)～图3(b)，如图3(a)所示的干涉全息图，电控变焦透镜对应所需的电流为75.29mA，图3(b)所示的干涉全息图，电控变焦透镜对应所需的电流为75.82mA，图3(c)所示的干涉全息图，电控变焦透镜对应所需的电流为75.95mA。
本发明提供的相位分布测量系统，采用多个离焦全息图，即可得到待测物体的相位分布。不但避免频谱选择和引入相移单元，而且避免对待测物体的假设和预先系统知识的获取，进而使测量得到的相位准确，操作简单。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的定量相位测量方法、装置和系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种定量相位测量方法，其特征在于，所述方法包括：
获取多个离焦距离下待测物体的离焦全息图；
根据所述多个离焦全息图，对所述多个离焦全息图的表达式做减法运算；对减法运算后的表达式进行简化和变换，得到所述待测物体的复振幅分布；
由所述复振幅分布计算所述待测物体的系统相位分布，并从所述系统相位分布中提取所述待测物体的相位分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所述系统相位分布中提取所述待测物体的相位分布，具体包括：
对所述系统相位分布式进行相位解包运算；
对相位解包运算后的表达式进行变换，并消除误差，得到所述待测物体的相位分布。
3.一种定量相位测量装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取模块，用于在多个离焦距离下获取待测物体的离焦全息图；
第二获取模块，用于根据获取到的多个离焦全息图，得到所述待测物体的复振幅分布，所述第二获取模块包括：
第一运算模块，用于对所述多个离焦全息图的表达式做减法运算；
第一变换模块，用于对减法运算后的表达式进行简化和变换，得到所述待测物体的复振幅分布式；
提取模块，用于由所述复振幅分布计算所述待测物体的系统相位分布，并从所述系统相位分布中提取所述待测物体的相位分布。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述提取模块包括：
第二运算模块，用于对所述系统相位分布式进行相位解包运算；
第二变换模块，用于对相位解包运算后的表达式进行变换，并消除误差，得到所述待测物体的相位分布。
5.一种定量相位测量系统，其特征在于，所述系统包括：采集装置和终端；
所述采集装置，用于采集多个离焦距离下待测物体的离焦全息图；
所述终端为权利要求3～4任一项所述的相位分布测量装置。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述采集装置包括：激光器、离焦物光光场、参考光聚光镜、成像分束镜和相机；
所述激光器，用于发出激光，并通过光纤将所述激光分为物光和参考光，以及将所述物光输入到所述离焦物光光场中，将所述参考光输入到所述参考光聚光镜中；
所述离焦物光光场，用于在不同的离焦距离下对所述待测物体进行成像，并将所成的像的光输入到所述成像分束镜中；
所述参考光聚光镜，用于将所述参考光转换为平行光，并输入到所述成像分束镜中；
所述成像分束镜，用于将所述离焦物光光场与所述参考光聚光镜输出的平行光合并，并输出到所述相机中；
所述相机，用于将所述成像分束镜输出的光在内置的成像平面上形成干涉全息图。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述离焦物光光场包括：物光聚光镜、第一光路组件、物光分束镜、成像平面和第二光路组件；
所述物光聚光镜，用于将所述物光转换为平行光，并输入到所述第一光路组件中；
所述第一光路组件，用于对输入的光进行汇聚以形成所述待测物体的像，并将所成的像的光输入到所述物光分束镜中；
所述物光分束镜，用于将所成的像的光转输入到所述成像平面和所述第二光路组件中；
所述成像平面，用于对所述待测物体进行成像；
所述第二光路组件，用于改变所述待测物体的离焦距离，以得到不同离焦距离下所述待测物体的像。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第二光路组件包括：第一离焦成像透镜、电控变焦透镜、补偿透镜、第二离焦成像透镜。
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