CN110260780A - 一种数字全息显微相位误差同时补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字全息显微相位误差同时补偿方法，属于光学成像校正技术领域，解决的是现有方法计算量大、不适合动态相位测量的技术问题，所述方法包括步骤如下，S1、采集待测物体的全息图作为原始全息图；S2、对原始全息图进行傅立叶变换处理得到原始展开相位S3、对原始展开相位作旋转变换得到旋转相位将原始展开相位加上旋转相位进行离轴倾斜误差补偿并得到补偿相位S4、对补偿相位作翻转变换得到翻转相位将补偿相位减去翻转相位进行二次相位误差补偿并得到最终相位本发明还公开了一种实现上述方法的数字全息显微相位误差同时补偿装置。本发明能简单且准确去除离轴倾斜误差和二次相位误差。

Description

一种数字全息显微相位误差同时补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及光学成像校正技术领域，更具体地说，它涉及一种数字全息显微相位误差同时补偿方法及装置。
背景技术
在传统离轴数字全息显微系统中，离轴角度造成恢复相位存在离轴倾斜误差，另外显微物镜的使用也会对恢复相位引入二次相位误差，为了得到准确的相位分布，需要同时去除这些相位误差。
补偿二次相位误差可以采用物理补偿法和数值补偿法。然而，物理补偿法不能去除离轴倾斜误差。补偿离轴倾斜误差可以采用频谱中心法和数值补偿法，频谱中心法也不能去除二次相位误差。因此，我们可以采用数值补偿法来同时去除离轴倾斜误差和二次相位误差。数值补偿法的思想大都是通过提前获取物体或系统预先知识、数值拟合算法、深度学习训练等构建相位补偿模板。然而，这些方法存在计算量大、对噪声敏感等问题。二次曝光法可以同时去除这两种误差，但是需要多次采集全息图，不适合动态相位测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种简单且准确地去除离轴倾斜误差和二次相位误差的数字全息显微相位误差同时补偿方法。
本发明的目的二是提供一种简单且准确地去除离轴倾斜误差和二次相位误差的数字全息显微相位误差同时补偿装置。
为了实现上述实目的一，本发明提供一种数字全息显微相位误差同时补偿方法，包括步骤如下，
S1、利用数字全息显微系统采集待测物体的全息图，并作为原始全息图；
S2、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，并对所述原始全息图的频谱提取+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
S3、对所述原始展开相位作旋转变换得到旋转相位将所述原始展开相位加上所述旋转相位进行离轴倾斜误差补偿，并得到补偿相位
S4、对所述补偿相位作翻转变换得到翻转相位将所述补偿相位减去所述翻转相位进行二次相位误差补偿，并得到最终相位
作为进一步地改进，在所述步骤S2中，所述原始全息图+1级像的公式为：
其中T(x,y)为离轴倾斜误差，T(x,y)＝kxx+kyy，P(x,y)为二次相位误差，P(x,y)＝k(x2+y2)/r，为原始物体相位，所述原始展开相位的公式为：
进一步地，在所述步骤S3中，对所述原始展开相位旋转180°得到旋转相位所述旋转相位的公式为：
所述补偿相位的公式为：
进一步地，在所述步骤S4中，对所述补偿相位作上下翻转或者左右翻转变换得到翻转相位所述翻转相位的公式为：
或
所述最终相位的公式为：
或
为了实现上述实目的二，本发明提供一种数字全息显微相位误差同时补偿装置，包括：
采集模块，用于采集待测物体的全息图并作为原始全息图，所述采集模块包括数字全息显微系统；
傅立叶变换模块，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，并对所述原始全息图的频谱提取+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
第一补偿模块，用于对所述原始展开相位作旋转变换得到旋转相位将所述原始展开相位加上所述旋转相位进行离轴倾斜误差补偿，并得到补偿相位
第二补偿模块，用于对所述补偿相位作翻转变换得到翻转相位将所述补偿相位减去所述翻转相位进行二次相位误差补偿，并得到最终相位
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：本发明通过原始全息图经过傅立叶变换处理得到原始展开相位，原始展开相位旋转180°得到旋转相位，原始展开相位加上旋转相位可以去除离轴倾斜误差并得到补偿相位，补偿相位作上下翻转或者左右翻转变换得到翻转相位，补偿相位减去翻转相位可以去除二次相位误差并得到最终相位；本方法可以同时有效去除离轴倾斜误差和二次相位误差，计算简单且快速，避免了物体或系统预先知识的获取或复杂的数值拟合计算问题，只需单幅全息图即可，适用于动态相位测量。
附图说明
图1为本发明中方法的方框图；
图2为本发明中装置的方框图。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1、2，一种数字全息显微相位误差同时补偿方法，包括步骤如下，
S1、利用数字全息显微系统采集待测物体的全息图，并作为原始全息图；
S2、对原始全息图进行傅立叶变换得到原始全息图的频谱，并对原始全息图的频谱提取+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
S3、对原始展开相位作旋转变换得到旋转相位将原始展开相位加上旋转相位进行离轴倾斜误差补偿，并得到补偿相位
S4、对补偿相位作翻转变换得到翻转相位将补偿相位减去翻转相位进行二次相位误差补偿，并得到最终相位
在步骤S2中，原始全息图+1级像的公式为：
其中，T(x,y)为离轴倾斜误差，T(x,y)＝kxx+kyy，P(x,y)为二次相位误差，P(x,y)＝k(x2+y2)/r，为原始物体相位，Iv指的是提取原始全息图频谱+1级像恢复的强度图像，v是virtual image的简称，其中virtual image其实就是+1级像，|O|是物光波光强，|R|是参考光光波强度，i就是一个虚数单位，kx和ky指的是在X方向和Y方向的倾斜因子，描述的是倾斜程度，k为波数k＝2π/λ，λ为波长，r是二次相位误差分布的曲率，原始展开相位的公式为：
在步骤S3中，对所述原始展开相位旋转180°得到旋转相位旋转相位的公式为：
补偿相位的公式为：
在步骤S4中，对所述补偿相位作上下翻转或者左右翻转变换得到翻转相位翻转相位的公式为：
或
最终相位的公式为：
或
当然，也可以先对原始展开相位作翻转变换得到翻转相位，原始展开相位减去翻转相位进行二次相位误差补偿并得到补偿相位，再对补偿相位作旋转变换得到旋转相位，补偿相位加上旋转相位进行离轴倾斜误差补偿并得到最终相位。
根据最终相位的公式可知二次相位误差和离轴倾斜误差都补偿了,最终相位除了原始相位分布，还多了旋转原始相位或翻转原始相位。当原始物体位置不超过相机视场1/4范围内，这些相位分布可以独立分开来，不影响原始相位分布。
一种数字全息显微相位误差同时补偿装置，包括：
采集模块，用于采集待测物体的全息图并作为原始全息图，所述采集模块包括数字全息显微系统；
傅立叶变换模块，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，并对所述原始全息图的频谱提取+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
第一补偿模块，用于对所述原始展开相位作旋转变换得到旋转相位将所述原始展开相位加上所述旋转相位进行离轴倾斜误差补偿，并得到补偿相位
第二补偿模块，用于对所述补偿相位作翻转变换得到翻转相位将所述补偿相位减去所述翻转相位进行二次相位误差补偿，并得到最终相位
本发明通过原始全息图经过傅立叶变换处理得到原始展开相位，原始展开相位旋转180°得到旋转相位，原始展开相位加上旋转相位可以去除离轴倾斜误差并得到补偿相位，补偿相位作上下翻转或者左右翻转变换得到翻转相位，补偿相位减去翻转相位可以去除二次相位误差并得到最终相位；本方法可以同时有效去除离轴倾斜误差和二次相位误差，计算简单且快速，避免了物体或系统预先知识的获取或复杂的数值拟合计算问题，只需单幅全息图即可，适用于动态相位测量。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (5)

1.一种数字全息显微相位误差同时补偿方法，其特征在于：包括步骤如下，
S1、利用数字全息显微系统采集待测物体的全息图，并作为原始全息图；
S2、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，并对所述原始全息图的频谱提取+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
S3、对所述原始展开相位作旋转变换得到旋转相位将所述原始展开相位加上所述旋转相位进行离轴倾斜误差补偿，并得到补偿相位
S4、对所述补偿相位作翻转变换得到翻转相位将所述补偿相位减去所述翻转相位进行二次相位误差补偿，并得到最终相位
2.根据权利要求1所述的一种数字全息显微相位误差同时补偿方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述原始全息图+1级像的公式为：
其中T(x，y)为离轴倾斜误差，T(x，y)＝kxx+kyy，P(x，y)为二次相位误差，P(x，y)＝k(x2+y2)/r，为原始物体相位，所述原始展开相位的公式为：
3.根据权利要求2所述的一种数字全息显微相位误差同时补偿方法，其特征在于：在所述步骤S3中，对所述原始展开相位旋转180°得到旋转相位所述旋转相位的公式为：
所述补偿相位的公式为：
4.根据权利要求3所述的一种数字全息显微相位误差同时补偿方法，其特征在于：在所述步骤S4中，对所述补偿相位作上下翻转或者左右翻转变换得到翻转相位所述翻转相位的公式为：
或
所述最终相位的公式为：
或
5.一种实现权利要求1所述方法的一种数字全息显微相位误差同时补偿装置，其特征在于：包括，
采集模块，用于采集待测物体的全息图并作为原始全息图，所述采集模块包括数字全息显微系统；
傅立叶变换模块，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，并对所述原始全息图的频谱提取+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
第一补偿模块，用于对所述原始展开相位作旋转变换得到旋转相位将所述原始展开相位加上所述旋转相位进行离轴倾斜误差补偿，并得到补偿相位
第二补偿模块，用于对所述补偿相位作翻转变换得到翻转相位将所述补偿相位减去所述翻转相位进行二次相位误差补偿，并得到最终相位
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