CN114001643A - 一种数字全息显微相位畸变补偿方法及装置 - Google Patents

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CN114001643A CN202111134424.3A CN202111134424A CN114001643A CN 114001643 A CN114001643 A CN 114001643A CN 202111134424 A CN202111134424 A CN 202111134424A CN 114001643 A CN114001643 A CN 114001643A
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Abstract

本发明涉及一种数字全息显微相位畸变补偿方法及装置，搭建数字全息显微系统，采用滤波片代替分束镜，滤波片对671nm波段高透，而对532nm波段高反；采用波长为671nm的激光器拍摄待测物体的原始全息图；对其进行傅里叶变换，得到频谱，对频谱提取+1像的频谱，进行逆傅里叶变化得到包裹相位，通过最小二乘解包裹算法得到原始解包裹相位；采用波长为532nm的激光器拍摄空载全息图；对其进行傅里叶变换，得到的频谱，对频谱提取+1级的频谱，进行逆傅里叶变化得到包裹相位，通过最小二乘解包裹算法得到空载解包裹相位；将原始解包裹相位与空载解包裹相位相减，进行相位误差的补偿，并获取最终相位。与现有技术相比，本发明具有操作方便，节省时间等优点。

Description

一种数字全息显微相位畸变补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及光学成像校正技术领域，尤其是涉及一种数字全息显微相位畸变补偿方法及装置。
背景技术
离轴数字全息显微在拍摄过程中会存在离轴角和使用显微物镜来提高定量相位测量的横向分辨率，然而离轴角会引起离轴倾斜误差，显微物镜会引入二次畸变。二次畸变会引起物体信息的变形从而降低物体三维成像的质量，影响实际应用中的测量结果，造成物体信息的失真。
针对一次畸变通常采用频谱中心法来消除，而对于二次畸变的消除问题，大致可以分为两种方法：数值补偿法和结构装置法。数值补偿法就是利用图像处理算法在计算机上对全息图、频谱图和重建图进行处理可以补偿二次相位畸变。比如参考共轭全息图法、重建相位几何变换法、横向剪切法、主成分分析法、泽尼克拟合和深度学习等等，然而这些方法中存在不少缺点，如重建相位几何变换法对于物体的要求比较高，物体不能过大，因此浪费了许多空间带宽。深度学习和全息相结合时在使用前需要大量的神经网络训练，会消耗大量的时间。相反，结构装置法是通过光学器件的调制来消除物光和参考光中的畸变。例如后放大数字全息显微系统，先将物光和参考光干涉然后进行放大，此方法是在物光和参考光曲率相同的情况下相互抵消了畸变。此方法还可在参考光路中引入参考透镜、电子可调透镜。此外还可将光学系统的畸变加载到空间光调制器中从而补偿系统中的畸变。然而结构装置法需要对光路进行精确的调节，使得光学器件会造成巨大的成本。
中国专利CN 110260780A公开了“一种数字全息显微相位误差同时补偿方法，”该专利所解决的技术问题是补偿数字全息显微中的倾斜畸变和二次畸变。所提出的技术方案是采集待测物体的全息图作为原始全息图，进行傅里叶变换得到原始展开相位
Figure BDA0003281746570000011
对
Figure BDA0003281746570000012
作旋转变换得到
Figure BDA0003281746570000013
把
Figure BDA0003281746570000014
和
Figure BDA0003281746570000015
加起来进行离轴倾斜误差的补偿得到补偿相位
Figure BDA0003281746570000021
对
Figure BDA0003281746570000022
作翻转变换得到
Figure BDA0003281746570000023
用
Figure BDA0003281746570000024
减
Figure BDA0003281746570000025
进行二次相位误差补偿得到最终相位
Figure BDA0003281746570000026
然而该技术需要分别作旋转变换和翻转变换，并且还要加减法，因此在程序实现过程中比较复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种数字全息显微相位畸变补偿方法及装置，只需在物光路中加入滤波片经过简单的相位相减操作便能准确的消除相位畸变，通过将两个波长恢复出的解包裹相位图直接相减便可得到补偿后的相位图，无需复杂的程序调试。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明第一方面提供一种数字全息显微相位畸变补偿方法，该方法包括如下步骤：
S1：搭建数字全息显微系统，采用波长为671nm的第一激光器拍摄待测物体的全息图，并作为原始全息图。
S2：对所述原始全息图进行傅里叶变换，得到所述原始全息图的频谱，对所述原始全息图的频谱提取+1级像的频谱，进行逆傅里叶变化得到包裹相位，通过最小二乘解包裹算法得到包括物体信息、一阶畸变和二阶相位畸变的原始解包裹相位
Figure BDA0003281746570000027
S3：在数字全息显微系统中，采用波长为532nm的第二激光器拍摄无检测物体的空载全息图。
S4：对所述空载全息图进行傅里叶变换，得到所述空载全息图的频谱，对所述空载全息图的频谱提取+1级像的频谱，进行逆傅里叶变化得到包裹相位，通过最小二乘解包裹算法得到包括一阶畸变和二阶相位畸变的空载解包裹相位
Figure BDA0003281746570000028
S5：将所述原始解包裹相位
Figure BDA0003281746570000029
与所述空载解包裹相位
Figure BDA00032817465700000210
相减，进行相位误差的补偿，并获取最终相位
Figure BDA00032817465700000211
所述数字全息显微系统包括对671nm波段高透而对532nm波段高反的滤波片、CMOS相机、分束镜、合束镜、两个扩束准直模块、两个反射镜和两个半透半反的分束镜。
所述第一激光器发出的入射光经分束镜分成两束，一束入射到第一反射镜作为物光后，经过滤波片、第一个扩束准直模块进行放大、准直；另一束经过第二反射镜反射后，通过第二扩束准直模块放大、准直后作为参考光；物光和参考光一起在合束镜上合束，在CMOS相机上发生干涉；所述第二激光器发出的光在第一半透半反的分束镜上分束，一束经过第二反射镜后，通过第二扩束准直模块作为参考光，另一束依次经过第二半透半反的分束镜、第一扩束准直模块和滤波片后，通过第一扩束准直模块和第二半透半反的分束镜作为物光，物光和参考光在合束镜上合束，再次在CMOS相机上发生干涉。
S2中，原始全息图的+1级像Is(x，y)的表达式为：
Figure BDA0003281746570000031
式中，O为物光；R为参考光；exp为指数；i为虚数；T(x,y)＝kxx+kyy为由于数字全息离轴夹角造成的倾斜误差，即一阶畸变，其中kx、ky分别为x、y方向上的因子，二者只与物光和参考光的夹角有关；P(x,y)＝k(x2+y2)/r为由于显微物镜引起的二次相位误差，即二阶畸变，其中k为球面相位的系数，与显微镜的放大倍率和焦距有关，r为曲率；
Figure BDA0003281746570000032
为原始物体相位；原始解包裹相位
Figure BDA0003281746570000033
的表达式为：
Figure BDA0003281746570000034
S4中，空载全息图的+1级像Ie(x，y)的表达式为：
Ie(x，y)＝|O||R|exp[iT(x，y)]exp[iP(x,y)]
空载解包裹相位
Figure BDA0003281746570000035
的表达式为：
Figure BDA0003281746570000036
S5中，最终相位
Figure BDA0003281746570000037
的表达式为：
Figure BDA0003281746570000038
本发明另一方面还提供一种数字全息显微相位畸变补偿装置，包括：
拍摄模块：采集待测物体的全息图作为原始全息图和无物体的空载全息图；
处理模块：将所述原始全息图和所述空载全息图进行相位恢复处理，分别获取原始解包裹相位和空载解包裹相位；
补偿模块，将所述原始解包裹相位与所述空载解包裹相位相减，获取对原始解包裹相位图补偿后的相位图。
所述处理模块中，相位恢复处理包括以下步骤：
对所述原始全息图和所述空载全息图分别进行傅里叶变换，分别提取二者的+1级频谱后，进行逆傅里叶变换得到二者的包裹相位，通过最小二乘解包裹算法恢复出原始解包裹相位和空载解包裹相位。
所述拍摄模块包括搭建的数字全息显微系统，所述数字全息显微系统主要包括波长为671nm的第一激光器、波长为532nm的第二激光器、滤波片、CMOS相机、分束镜、合束镜、两个扩束准直模块、两个反射镜和两个半透半反的分束镜，所述滤波片为对671nm波段高透且对532nm波段高反的滤波片。
所述第一激光器发出的入射光经分束镜分成两束，一束入射到第一反射镜作为物光后，经过滤波片、第一个扩束准直模块进行放大、准直；另一束经过第二反射镜反射后，通过第二扩束准直模块放大、准直后作为参考光；物光和参考光一起在合束镜上合束，在CMOS相机上发生干涉；所述第二激光器发出的光在第一半透半反的分束镜上分束，一束经过第二反射镜后，通过第二扩束准直模块作为参考光，另一束依次经过第二半透半反的分束镜、第一扩束准直模块和滤波片后，通过第一扩束准直模块和第二半透半反的分束镜作为物光，物光和参考光在合束镜上合束，再次在CMOS相机上发生干涉。
本发明提供的数字全息显微相位畸变补偿方法及装置，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
1)本发明首先拍摄一副待测物体的全息图作为原始全息图，对原始全息图进行傅里叶处理得到原始解包裹相位，然后拍摄一副无物体的全息图作为空载全息图，对空载全息图进行傅里叶处理得到空载解包裹相位，最后将原始解包裹相位和空载解包裹相位相减即得到最终的相位畸变补偿的相位，搭建的光路简单，操作方便，设计新颖，仅仅只需滤波片就可以用双波长进行相位畸变的同时补偿；
2)本发明对于工作距离不够长的物镜比较友好，可以在显微物镜的前面放置滤波片来代替分束镜和反射镜；
3)本发明无需拟合数值运算和迭代操作以及复杂的程序调试，节省了大量的时间，且能够准确的补偿数字全息显微中的一阶和二阶相位畸变，能够进行实时定量相位成像。
附图说明
图1为实施例中搭建的数字全息显微系统实验光路图；
图2为实施例中数字全息显微相位畸变补偿方法的步骤流程示意图；
图3为实施例中波长为671nm激光器拍摄结果图，其中子图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为波长为671nm激光器拍摄的全息图、重建图、频谱图、+1级空间滤波频谱图、包裹相位和最小二乘解包裹相位图；
图4为实施例中波长为532nm激光器拍摄结果图，其中子图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为波长为532nm激光器拍摄的全息图、重建图、频谱图、+1级空间滤波频谱图、包裹相位和最小二乘解包裹相位图；
图5为实施例中将原始解包裹相位和空载解包裹相位相减得到的最终畸变补偿的相位图；
图1中：L1为红光激光器；L2为绿光激光器；M1、M2为反射镜；ND为光学旋转渐变片；MO1、MO2为显微物镜；L1、L2为准直透镜；Filter为滤波片；BS1为分束镜；BS2、BS3为半反半透的分束镜；BS4为合束镜；Sample为待测物体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明提供一种数字全息显微相位畸变补偿方法，本实施例所搭建的数字全息显微系统实验光路图如图1所示，在本实施例中，其中光源是由长春新产业公司(CNI)生产的671nm红光激光器L1和532nm绿光激光器L2，其相干距离分别为70cm和50m，很显然绿光激光器L2的相干度远远超过了红光激光器L1；ND为光学旋转渐变片，用于调节参考光光强。MO1、L1和MO2、L2分别是两个扩束准直模块，物镜规格分别为40×和20×，其数值孔径(NA)分别为0.6和0.4。MO1、MO2具体为显微物镜用于扩束；L1、L2具体为准直透镜。
BS1和BS4分别是分束和合束镜。BS2和BS3分别是半反半透的镜子。Filter是对671nm波段高透而对532nm波段高反的滤波片，滤波片是玻璃片再加入特种染料做成的。玻璃片的折射率原本和空气差不多，所有色光都可以通过，所以是透明的，但是染了染料后，分子结构变化，折射率也发生变化，对某些色光的通过就有变化了。本发明使用的滤波片为红色滤波片只能让红光通过。Sample是用来拍摄的物体，在本实施例中采用USAF1951光学分辨率板。
按照图1的结构设计，具体的光束流向如下：红光激光器L1发出的入射光经分束镜BS1分成两束，一束入射到反射镜M1做物光，再经过滤波片Filter、MO1放大、L1准直；另一束经过M2反射，然后通过MO2放大、L2准直后做参考光；物光和参考光一起在合束镜BS4上合束，在CMOS相机上发生干涉。绿光激光器L2发出的光在BS2上分束，一束经过反射镜M2然后再通过MO2、L2做参考光，另一束经过BS3、L1、MO1、滤波片，此时滤波片将物体信息全部反射掉了，再一次经过MO1、L1、BS3做物光，然后物光和参考光在BS4上合束，再次在CMOS相机上发生干涉。如图2所示，数字全息显微相位畸变补偿方法具体包括如下步骤：
S1、搭建数字全息显微系统，利用波长为671nm的红光激光器拍摄待测物体的全息图，并作为原始全息图，如图3中子图(a)所示。
S2、对所述原始全息图进行傅里叶变换，得到所述原始全息图的频谱，如图3中子图(c)所示，并对所述原始全息图的频谱提取+1级像的频谱，即原始像，如图3中子图(d)所示，进行逆傅里叶变化得到包裹相位，如图3中子图(e)所示，通过最小二乘解包裹算法得到原始解包裹相位
Figure BDA0003281746570000067
(图3中子图(f))，此时原始解包裹相位
Figure BDA0003281746570000068
中不仅包含物体信息并且同时存在一阶和二阶相位畸变。
S3、在S1的数字全息显微系统中用波长为532nm的绿光激光器拍摄空载全息图，如图4中子图(a)所示；
S4、对空载全息图进行傅里叶变换得到所述空载全息图的频谱(图4中子图(c))，并对空载全息图的频谱提取+1级像的频谱，即原始像的频谱(图4中子图(d))，进行逆傅里叶变化得到包裹相位(图4中子图(e))，通过最小二乘解包裹算法得到空载解包裹相位
Figure BDA0003281746570000061
(图4中子图(f))，此时解包裹相位
Figure BDA0003281746570000062
中只有一阶和二阶相位畸变；
S5、将原始解包裹相位
Figure BDA0003281746570000063
减去空载解包裹相位
Figure BDA0003281746570000064
进行相位误差的同时补偿，并得到最终相位
Figure BDA0003281746570000065
进一步地，在S2中，原始全息图的+1级像的公式为：
Figure BDA0003281746570000066
其中，Is(x,y)是原始全息图的+1级像，O是物光；R是参考光；exp是指数；i是虚数。T(x,y)＝kxx+kyy是由于数字全息离轴夹角造成的倾斜误差，即一阶畸变，其中Kx、Ky分别为x、y方向上的因子，只与物光和参考光的夹角有关；P(x,y)＝k(x2+y2)/r是由于显微物镜引起的二次相位误差，即二阶畸变，其中k为球面相位的系数，与显微镜的放大倍率和焦距有关，r代表曲率。
Figure BDA0003281746570000071
是原始物体相位，原始解包裹相位
Figure BDA0003281746570000072
的公式为：
Figure BDA0003281746570000073
在S3中，滤波片对671nm波段高透，而对532nm波段高反，所以用波长为532nm激光器采集的空载全息图，在滤波片的作用下物体信息被反射了。
在S4中，空载全息图的+1级公式为：
Ie(x,y)＝|O||R|exp[iT(x,y)]exp[iP(x,y)]
其中P(x,y)是二次相位误差，P(x,y)＝k(x2+y2)/r，空载解包裹相位
Figure BDA0003281746570000074
的公式为：
Figure BDA0003281746570000075
在S5中，最终相位
Figure BDA0003281746570000076
的公式为：
Figure BDA0003281746570000077
补偿后的相位图如图5所示。从图3(f)中可以很明显地看出由于离轴倾斜误差和二次相位误差的存在使得物体的相位严重变形，而图4(f)中只存在一阶和二阶畸变，将两幅图相减之后得到了图5所示的畸变补偿后的相位图，此时背景相位几乎被拉直，物体信息较为平坦。
本发明还提供一种数字全息显微相位畸变补偿装置，该装置包括：
拍摄模块，用于采集待测物体的全息图作为原始全息图和无物体的空载全息图；
处理模块，用于将所述的原始全息图和空载全息图进行相位恢复处理分别得到原始解包裹相位和空载解包裹相位所述的相位恢复处理包括以下步骤：对原始全息图和空载全息图分别进行傅里叶变换，提取二者的+1级频谱，然后进行逆傅里叶变换得到二者的包裹相位，通过最小二乘解包裹算法恢复出原始解包裹相位和空载解包裹相位。此时，原始解包裹相位中不仅有物体信息还有一阶和二阶相位畸变，而空载解包裹相位中只有一阶和二阶相位畸变。
补偿模块，用于将所述的原始解包裹相位图和空载解包裹相位图相减，得到对原始解包裹相位图补偿后的相位图。
特别地，所述的拍摄模块包括搭建的数字全息显微系统，所述的数字全息显微系统主要包括波长为671nm、532nm的激光器、滤波片、CMOS、光学旋转渐变片、扩束准直模块、分束镜、合束镜、反射镜和半透半反的分束镜等，数字全息显微系统各部件可通过图1的示意搭建。
本发明首先拍摄一副待测物体的全息图作为原始全息图，对原始全息图进行傅里叶处理得到原始解包裹相位，然后拍摄一副无物体的全息图作为空载全息图，对空载全息图进行傅里叶处理得到空载解包裹相位，最后将原始解包裹相位和空载解包裹相位相减即得到最终的相位畸变补偿的相位，搭建的光路简单，操作方便，设计新颖，仅仅只需滤波片就可以用双波长进行相位畸变的同时补偿。对于工作距离不够长的物镜比较友好，可以在显微物镜的前面放置滤波片来代替分束镜和反射镜。且无需拟合数值运算和迭代操作以及复杂的程序调试，节省了大量的时间，且能够准确的补偿数字全息显微中的一阶和二阶相位畸变，能够进行实时定量相位成像。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种数字全息显微相位畸变补偿方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)搭建数字全息显微系统，采用波长为671nm的第一激光器拍摄待测物体的全息图，并作为原始全息图；
2)对所述原始全息图进行傅里叶变换，得到所述原始全息图的频谱，对所述原始全息图的频谱提取+1级像的频谱，进行逆傅里叶变化得到包裹相位，通过最小二乘解包裹算法得到包括物体信息、一阶畸变和二阶相位畸变的原始解包裹相位
Figure FDA0003281746560000011
3)在数字全息显微系统中，采用波长为532nm的第二激光器拍摄无检测物体的空载全息图；
4)对所述空载全息图进行傅里叶变换，得到所述空载全息图的频谱，对所述空载全息图的频谱提取+1级像的频谱，进行逆傅里叶变化得到包裹相位，通过最小二乘解包裹算法得到包括一阶畸变和二阶相位畸变的空载解包裹相位
Figure FDA0003281746560000012
5)将所述原始解包裹相位
Figure FDA0003281746560000013
与所述空载解包裹相位
Figure FDA0003281746560000014
相减，进行相位误差的补偿，并获取最终相位
Figure FDA0003281746560000015
2.根据权利要求1所述的数字全息显微相位畸变补偿方法，其特征在于，所述数字全息显微系统包括对671nm波段高透而对532nm波段高反的滤波片、CMOS相机、分束镜、合束镜、两个扩束准直模块、两个反射镜和两个半透半反的分束镜。
3.根据权利要求2所述的数字全息显微相位畸变补偿方法，其特征在于，所述第一激光器发出的入射光经分束镜分成两束，一束入射到第一反射镜作为物光后，经过滤波片、第一个扩束准直模块进行放大、准直；另一束经过第二反射镜反射后，通过第二扩束准直模块放大、准直后作为参考光；物光和参考光一起在合束镜上合束，在CMOS相机上发生干涉；所述第二激光器发出的光在第一半透半反的分束镜上分束，一束经过第二反射镜后，通过第二扩束准直模块作为参考光，另一束依次经过第二半透半反的分束镜、第一扩束准直模块和滤波片后，通过第一扩束准直模块和第二半透半反的分束镜作为物光，物光和参考光在合束镜上合束，再次在CMOS相机上发生干涉。
4.根据权利要求1所述的数字全息显微相位畸变补偿方法，其特征在于，步骤2)中，原始全息图的+1级像Is(x，y)的表达式为：
Figure FDA0003281746560000021
式中，O为物光；R为参考光；exp为指数；i为虚数；T(x,y)＝kxx+kyy为由于数字全息离轴夹角造成的倾斜误差，即一阶畸变，其中kx、ky分别为x、y方向上的因子，二者只与物光和参考光的夹角有关；P(x,y)＝k(x2+y2)/r为由于显微物镜引起的二次相位误差，即二阶畸变，其中k为球面相位的系数，与显微镜的放大倍率和焦距有关，r为曲率；
Figure FDA0003281746560000022
为原始物体相位；原始解包裹相位
Figure FDA0003281746560000023
的表达式为：
Figure FDA0003281746560000024
5.根据权利要求4所述的数字全息显微相位畸变补偿方法，其特征在于，步骤4)中，空载全息图的+1级像Ie(x，y)的表达式为：
Ie(x，y)＝|O||R|exp[iT(x，y)]exp[iP(x，y)]
空载解包裹相位
Figure FDA0003281746560000025
的表达式为：
Figure FDA0003281746560000026
6.根据权利要求5所述的数字全息显微相位畸变补偿方法，其特征在于，步骤5)中，最终相位
Figure FDA0003281746560000027
的表达式为：
Figure FDA0003281746560000028
7.一种数字全息显微相位畸变补偿装置，其特征在于，包括：
拍摄模块：采集待测物体的全息图作为原始全息图和无物体的空载全息图；
处理模块：将所述原始全息图和所述空载全息图进行相位恢复处理，分别获取原始解包裹相位和空载解包裹相位；
补偿模块，将所述原始解包裹相位与所述空载解包裹相位相减，获取对原始解包裹相位图补偿后的相位图。
8.根据权利要求7所述的数字全息显微相位畸变补偿装置，其特征在于，所述处理模块中，相位恢复处理包括以下步骤：
对所述原始全息图和所述空载全息图分别进行傅里叶变换，分别提取二者的+1级频谱后，进行逆傅里叶变换得到二者的包裹相位，通过最小二乘解包裹算法恢复出原始解包裹相位和空载解包裹相位。
9.根据权利要求7所述的数字全息显微相位畸变补偿装置，其特征在于，所述拍摄模块包括搭建的数字全息显微系统，所述数字全息显微系统包括波长为671nm的第一激光器、波长为532nm的第二激光器、滤波片、CMOS相机、分束镜、合束镜、两个扩束准直模块、两个反射镜和两个半透半反的分束镜，所述滤波片为对671nm波段高透且对532nm波段高反的滤波片。
10.根据权利要求9所述的数字全息显微相位畸变补偿装置，其特征在于，所述第一激光器发出的入射光经分束镜分成两束，一束入射到第一反射镜作为物光后，经过滤波片、第一个扩束准直模块进行放大、准直；另一束经过第二反射镜反射后，通过第二扩束准直模块放大、准直后作为参考光；物光和参考光一起在合束镜上合束，在CMOS相机上发生干涉；所述第二激光器发出的光在第一半透半反的分束镜上分束，一束经过第二反射镜后，通过第二扩束准直模块作为参考光，另一束依次经过第二半透半反的分束镜、第一扩束准直模块和滤波片后，通过第一扩束准直模块和第二半透半反的分束镜作为物光，物光和参考光在合束镜上合束，再次在CMOS相机上发生干涉。
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