CN109724511A - 一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法，包括以下步骤，采集待测物体的全息图作为原始全息图；将所述的原始全息图做几何变换操作得到变换全息图；对原始全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到原始展开相位图对变换全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到变换展开相位图将原始展开相位图和变换展开相位图相减，得到对原始展开相位图的二次相位误差补偿后的相位图。一种二次相位误差补偿装置，包括采集模块、变换模块、第一处理模块、第二处理模块和补偿模块。其优点在于：本发明通过几何变换能够简单且准确地消除二次相位误差。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像校正技术领域，具体涉及一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法及其装置。
背景技术
在传统数字全息显微***中，使用显微物镜可以提高定量相位测量的横向分辨率，然而显微物镜的使用会造成物光光路和参考光光路的波面不匹配，引入二次相位误差，影响定量相位测量的准确性。
为了得到准确的相位分布，现有技术中采用物理补偿法和数值补偿法消除显微物镜引入的二次相位误差。在物理补偿法中，物光光路可采用远心结构，也可在参考光光路引入一个相同倍率物镜，一个透镜，或者一个电控变焦透镜。然而，物理补偿法需要引入额外光学元件，不仅增加***成本，而且需要比较复杂和精密的校准。另外，有学者提出的共轴数字全息显微***，也可以有效的消除二次相位误差。相反，数值补偿法是在数值重建过程中利用数字相位补偿模板去除二次相位误差。通过***参量和全息图频谱分析，数值拟合操作，或者采集无样品全息图，可以得到数字相位补偿模板。然而上述的方法需要预先***和样品知识的获取，额外的数值拟合操作，或者二次采集操作。数值拟合运算易受噪声影响，而二次采集操作不适用于动态相位测量。也有学者提出波前折叠方法来消除二次相位误差。最近，有学者提出基于深度学习的误差补偿方法，但是该方法需要大量的训练数据得到数字相位补偿模板。
中国专利【CN 107677201A】公开了“基于波前旋转的快速倾斜相位误差补偿方法和装置，”该专利所解决的技术问题是消除数字全息显微中的倾斜相位误差。所提出的技术方案是将全息图旋转180°，得到旋转全息图，然后将原始全息图+1级频谱恢复的相位减去旋转全息图－1级信息频谱恢复的相位，以消除倾斜相位误差。该技术方案无法消除相位图中的二次相位误差。
因此，在数字全息显微定量相位测量中，我们需要寻找一种简单而且准确的二次相位误差补偿的方法。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法及其装置。本发明通过几何变换能够简单且准确地消除二次相位误差。
本发明所述的一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法，包括以下步骤：
S0、采集待测物体的全息图作为原始全息图；
S1、将所述的原始全息图进行几何变换操作得到变换全息图；
S2、对所述的原始全息图进行相位恢复处理得到原始展开相位图对所述的变换全息图进行相位恢复处理得到变换展开相位图
S3、将所述的原始展开相位图和变换展开相位图相减，得到对原始展开相位图的二次相位误差补偿后的相位图。
在步骤S2中的相位恢复处理的步骤具体为：对原始全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到原始展开相位图对变换全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到变换展开相位图
优选地，步骤S1中所述的几何变换为旋转180°变换。
优选地，步骤S1中所述的几何变换为转置变换。
优选地，步骤S1中所述的几何变换为上下翻转变换或左右翻转变换。
优选地，步骤S2中通过傅立叶变换获取全息图的频谱；
通过频谱中心平移的方法去除+1级频谱中的倾斜相位误差；
将去除了倾斜相位误差的+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展开相位图。
一种数字全息显微的二次相位误差补偿装置，包括：
采集模块，用于采集待测物体的全息图作为原始全息图；
变换模块，用于将所述的原始全息图做几何变换操作得到变换全息图；
第一处理模块，用于对所述的原始全息图进行相位恢复处理得到原始展开相位图所述的相位恢复处理包括以下步骤：对原始全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到原始展开相位图
第二处理模块，用于对所述的变换全息图进行相位恢复处理得到变换展开相位图所述的相位恢复处理包括以下步骤：对变换全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到变换展开相位图
补偿模块，用于将所述的原始展开相位图和变换展开相位图相减，得到对原始展开相位图补偿后的相位图。
优选地，所述的采集模块包括数字全息显微***，所述的数字全息显微***包括CCD相机。
本发明所述的一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法及其装置，其优点在于，本发明仅需采集一幅待测物体的全息图作为原始全息图，将原始全息图几何变换得到变换全息图，分别对两幅全息图做相位恢复处理后得到原始展开相位图和变换展开相位图将原始展开相位图和变换展开相位图相减得到对原始展开相位图补偿后的相位图，即消除了二次相位误差的原始展开相位图。
本发明无需引入额外的光学元件，***成本低且无需进行复杂的校准，操作相对便捷。
本发明无需预先知道***的参数信息和进行大量的拟合数值运算，能简单且准确的进行数字全息显微成像中的二次相位误差补偿，能适用于实时定量相位成像。
本发明可通过多种几何变换的方式准确地消除相位图中的二次相位误差，可根据待测物体的形状及所在位置等选择相应的几何变换，具有选择的灵活性。
附图说明
图1是本发明一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法的步骤流程图；
图2是本发明一种数字全息显微的二次相位误差补偿装置的结构框图；
图3是本发明实施例中提供模拟待测物体微球的相位分布图；
图4是本发明实施例中的待测物体的原始全息图；
图5是本发明实施例中的待测物体的原始展开相位图
图6是实施例1的旋转变换全息图；
图7是实施例1的旋转变换展开相位图；
图8是实施例1中通过旋转变换所恢复的无二次相位误差的相位图；
图9是实施例1所恢复的相位和实际相位沿着标线A区域的相位轮廓分布图；
图10是实施例2的上下翻转变换全息图；
图11是实施例2的上下翻转变换展开相位图；
图12是实施例2中通过上下翻转变换所恢复的无二次相位误差的相位图；
图13是实施例2中所恢复的相位和实际相位沿着标线A区域的相位轮廓分布图；
图14是实施例3的左右翻转变换全息图；
图15是实施例3的左右翻转变换展开相位图；
图16是实施例3中通过左右翻转变换所恢复的无二次相位误差的相位图；
图17是实施例3中所恢复的相位和实际相位沿着标线A区域的相位轮廓分布图；
图18是实施例4中的转置变换全息图；
图19是实施例4中的转置变换展开相位图；
图20是实施例4中通过转置变换所恢复的无二次相位误差的相位图；
图21是实施例4中所恢复的相位和实际相位沿着标线A区域的相位轮廓分布图。
附图标记说明：201-采集模块，202-变换模块，203-第一处理模块，204-第二处理模块，205-补偿模块。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法，包括以下步骤：
S0、采集待测物体的全息图作为原始全息图；
S1、将所述的原始全息图做几何变换操作得到变换全息图；
S2、对所述的原始全息图进行相位恢复处理得到原始展开相位图对所述的变换全息图进行相位恢复处理得到变换展开相位图
S3、将所述的原始展开相位图和变换展开相位图相减，得到对原始展开相位图补偿后的相位图。
在步骤S2中的相位恢复处理的步骤具体为：对原始全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到原始展开相位图对变换全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到变换展开相位图
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤S101，利用数字全息显微***采集待测物体的全息图，作为原始全息图；
具体地，本实施例是利用数字全息显微***作为***结构，利用所述数字全息显微***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，将所述原始全息图做旋转180°变换操作，得到一幅数字参考全息图，作为变换全息图；
具体地，本发明只需采集一幅全息图，然后将所述全息图做旋转180°变换操作，即可得到另一幅数字参考全息图，作为变换全息图。
步骤S103，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
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，通过频谱中心平移去除倾斜相位误差，然后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
步骤S104，利用数字全息显微中傅里叶变换法对所述变换全息图进行相位恢复处理，得到变换展开相位图
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，通过频谱中心平移去除倾斜相位误差，然后进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到变换展开相位图
步骤S105，将所述原始展开相位图和所述变换展开相位图相减，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，指的是去除了二次相位误差的原始展开相位图。由于我们使用的数字全息显微***使用了显微物镜，所以恢复的物体相位分布会引入二次相位误差；而本申请提到的方法，根据二次相位误差几何变换特性，旋转180°变换前后全息图恢复的相位分布具有相同二次相位误差分布，所以相减可以把该二次相位误差去掉，得到物体原始的相位分布。
为了测试基于旋转180°变换的二次相位补偿方法的有效性，本发明实施例选取模拟的微球作为待测物体得出对应的二次相位误差补偿结果。图3为模拟的微球的相位分布，图4为待测物体的原始全息图，对原始全息图做旋转180°变换后，得到旋转变换全息图分别如图6所示。对所述全息图利用傅立叶变换法分别提取+1级频谱，所得到的展开相位分布如图5，图7所示，根据本发明提出的方法，二次相位误差补偿后的相位分布如图8所示。为了验证本方法的有效性，沿着标线A的相位轮廓分布如图9所示，可以看出，基于旋转180°变换的数值补偿法可以有效去除二次相位误差，得到准确的相位分布。
实施例2
实施例2在步骤流程上与实施例1相同，不同点在于步骤S102中将所述原始全息图做上下翻转变换操作，得到一幅数字参考全息图，作为变换全息图。
为了测试基于上下翻转变换的二次相位补偿方法的有效性，本实施例选取模拟的微球作为待测物体得出对应的二次相位误差补偿结果。图3为模拟的微球的相位分布，图4为待测物体的原始全息图，对原始全息图做上下翻转变换后，得到上下翻转变换全息图分别如图10所示。对所述全息图利用傅立叶变换法分别提取+1级频谱，所得到的展开相位分布如图5，图11所示，根据本发明提出的方法，二次相位误差补偿后的相位分布如图12所示。为了验证本方法的有效性，沿着标线A的相位轮廓分布如图13所示，可以看出，基于上下翻转变换的数值补偿法可以有效去除二次相位误差，得到准确的相位分布。
实施例3
实施例3在步骤流程上与实施例1相同，不同点在于步骤S102中将所述原始全息图做左右翻转变换操作，得到一幅数字参考全息图，作为变换全息图。
为了测试基于左右翻转变换的二次相位补偿方法的有效性，本实施例选取模拟的微球作为待测物体得出对应的二次相位误差补偿结果。图3为模拟的微球的相位分布，图4为待测物体的原始全息图，对原始全息图做左右翻转变换后，得到左右翻转变换全息图分别如图14所示。对所述全息图利用傅立叶变换法分别提取+1级频谱，所得到的展开相位分布如图5，图15所示，根据本发明提出的方法，二次相位误差补偿后的相位分布如图16所示。为了验证本方法的有效性，沿着标线A的相位轮廓分布如图17所示，可以看出，基于左右翻转变换的数值补偿法可以有效去除二次相位误差，得到准确的相位分布。
实施例4
实施例4在步骤流程上与实施例1相同，不同点在于步骤S102中将所述原始全息图做转置变换操作，得到一幅数字参考全息图，作为变换全息图。
为了测试基于转置变换的二次相位补偿方法的有效性，本实施例选取模拟的微球作为待测物体得出对应的二次相位误差补偿结果。图3为模拟的微球的相位分布，图4为待测物体的原始全息图，对原始全息图做转置变换后，得到转置变换全息图分别如图18所示。对所述全息图利用傅立叶变换法分别提取+1级频谱，所得到的展开相位分布如图5，图19所示，根据本发明提出的方法，二次相位误差补偿后的相位分布如图20所示。为了验证本方法的有效性，沿着标线A的相位轮廓分布如图21所示，可以看出，基于转置变换的数值补偿法可以有效去除二次相位误差，得到准确的相位分布。
综合上述四个实施例可以得出，本发明的基于几何变换的消除二次相位误差的方法可以有效去除二次相位误差。且本发明所述的几何变换至少包括上述四种实施方式，即旋转180°、上下翻转、左右翻转和转置，且在实验中证明四种几何变换均有效地去除了二次相位误差，得到准确的相位分布。
且上述的四种实施方式可以根据待测物体的形状及所在位置选择相应的几何变换，具有选择的灵活性。将待测物体的矩形显示图框等分为四个矩形区域，分别为右上、右下、左上和左下四个区域。当待测物***于单一的某个区域时，则四种几何变换方法都能适用。当待测物体同时位于显示图框的左上和右上区域或左下和右下区域时，则上下翻转的几何变换方法较为适用。当待测物体同时位于左上和左下或右上和右下区域时，则左右翻转的几何变换方法较为适用。当待测物***于显示图框的中心位置附近时，则旋转180°的几何变换方法较为适用。当待测物体同时位于左上和右下区域或同时位于右上和左下区域时，转置的几何变换方法较为适用。
本发明同时还提出了一种应用上述二次相位补偿方法的二次相位补偿装置，包括：
采集模块201，用于采集待测物体的全息图作为原始全息图；
变换模块202，用于将所述的原始全息图做几何变换操作得到变换全息图；
第一处理模块203，用于对所述的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204，用于对所述的变换全息图进行相位恢复处理得到变换展开相位图
补偿模块205，用于将所述的原始展开相位图和变换展开相位图相减，得到对原始展开相位图补偿后的相位图。
所述的第一处理模块203和第二处理模块204通过傅立叶变换法进行相位恢复处理；所述的傅立叶变换法包括以下步骤：对全息图进行傅立叶变换得到全息图的频谱，并提取+1级频谱，通过频谱中心平移的方法去除+1级频谱中的倾斜相位误差；然后进行逆傅立叶变换得到包裹相位，通过解包裹算法得到展开相位图。
所述的采集模块201包括数字全息显微***，所述的数字全息显微***包括CCD相机。
通过上述的二次相位补偿装置能有效实现所述的二次相位补偿方法。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法，包括以下步骤：
S0、采集待测物体的全息图作为原始全息图；
S1、将所述的原始全息图进行几何变换操作得到变换全息图；
S2、对所述的原始全息图进行相位恢复处理得到原始展开相位图对所述的变换全息图进行相位恢复处理得到变换展开相位图
S3、将所述的原始展开相位图和变换展开相位图相减，得到对原始展开相位图的二次相位误差补偿后的相位图；
其特征在于，在步骤S2中的相位恢复处理的步骤具体为：对原始全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到原始展开相位图对变换全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到变换展开相位图
2.根据权利要求1所述一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法，其特征在于，步骤S1中所述的几何变换为旋转180°变换。
3.根据权利要求1所述一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法，其特征在于，步骤S1中所述的几何变换为转置变换。
4.根据权利要求1所述一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法，其特征在于，步骤S1中所述的几何变换为上下翻转变换或左右翻转变换。
5.根据权利要求1所述一种数字全息显微的二次相位误差补偿方法，步骤S2中通过傅立叶变换获取全息图的频谱；
通过频谱中心平移的方法去除+1级频谱中的倾斜相位误差；
将去除了倾斜相位误差的+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展开相位图。
6.一种应用权利要求1-5任一所述数字全息显微的二次相位误差补偿方法的装置，其特征在于，包括：
采集模块(201)，用于采集待测物体的全息图作为原始全息图；
变换模块(202)，用于将所述的原始全息图做几何变换操作得到变换全息图；
第一处理模块(203)，用于对所述的原始全息图进行相位恢复处理得到原始展开相位图所述的相位恢复处理包括以下步骤：对原始全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到原始展开相位图
第二处理模块(204)，用于对所述的变换全息图进行相位恢复处理得到变换展开相位图所述的相位恢复处理包括以下步骤：对变换全息图的频谱提取+1级频谱，去除+1级频谱中的倾斜相位误差，然后转换得到变换展开相位图
补偿模块(205)，用于将所述的原始展开相位图和变换展开相位图相减，得到对原始展开相位图补偿后的相位图。
7.根据权利要求6所述一种数字全息显微的二次相位误差补偿装置，其特征在于，所述的采集模块(201)包括数字全息显微***，所述的数字全息显微***包括CCD相机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190507 |