面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术制造技术

本发明专利技术公开了一种面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术。它将待测样品在测量平面内以叠层扫描的方式依次进行平移，并用图像传感器记录下相应的全息图；通过使用基于叠层扫描的数字全息重建算法对记录的系列全息图进行处理，可以获得待成像样品增大了视场的复振幅图像。由于叠层扫描提供了相邻视场间的信息冗余度约束，因此本发明专利技术有效地解决了大视场数字全息成像中的视场拼接和图像融合问题。同时，全息记录的数据处理方式也使得叠层迭代本身的收敛速度和抗噪声干扰能力得到较大幅度地提升。本发明专利技术成像效率高，可移植性好，可适用于各种透射型或反射型物体的相位定量测量和显微成像。

Stacked scanning digital holography for increasing imaging field of view

The invention discloses a stacked scanning digital holography for increasing the imaging field of view. It will be the sample to be measured on the measuring plane in a stacked scanning mode in translation, hologram and corresponding image sensors for recording; through the use of digital holographic reconstruction algorithm for processing laminated scan for recording hologram can be obtained based on the series, the imaging sample increases the complex amplitude image field. Because the stacked scan provides redundancy of information between adjacent field of view, the invention effectively solves the problem of field view splicing and image fusion in large field of view digital holographic imaging. At the same time, the data processing mode of holographic recording also makes the convergence speed and noise immunity of stack iteration itself greatly improved. The invention has high imaging efficiency and good portability, and can be applied to phase quantitative measurement and microscopic imaging of various transmissive or reflective objects.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种扩大视场的数字全息术，具体涉及一种将待测样品在物平面内以叠层扫描(Ptychographicscanning)的方式来平移以扩大视场的数字全息术。
技术介绍
数字全息(DigitalHolography)使用数字式相机(如CCD)代替照相干板来拍摄物体的全息图，省去了化学上的湿法处理。其最大的优势是能够直接在计算机上定量分析待测样品的振幅和位相，而且还可以较方便地对探测过程中的一些误差信息进行抑制处理，因此引起了业内学者很大的研究兴趣，得到了较快的发展，它在三维形貌测量、生物显微成像和粒子场测量等领域有着广泛的应用前景。但是，由于数字全息光路中使用的CCD的感光芯片尺寸有限(毫米量级)，因此它的视场范围也相应较小，这成为数字全息成像系统的一个主要缺陷之一，很大程度上限制了它的应用前景。为了消除该项缺陷，主要的办法是移动物体或CCD以接收更多的待测样品信息，并将全息图合成来扩大视场。如专利技术专利CN200410016479提出了一种高分辨率大视场数字全息装置，技术专利CN200420082611和CN201020599373进一步提出了合成大尺寸全息图的装置系统。但在这些方法中，由于记录的是不同样品区域的全息图，因此视场拼接就成为一个比较突出和困难的问题。特别是当系统存在一些移动误差时，二维图像融合的难度会进一步加大。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，在增大数字全息视场的同时解决视场拼接中的图像融合问题。本专利技术的目的可通过以下技术措施实现：第一步，将待测样品在物平面内按叠层扫描的方式进行平移，并用图像传感器依次记录下各扫描位置所对应的全息图；第二步，使用基于叠层扫描的数字全息算法对全息图进行处理，在计算机上得到待测样品的大视场复振幅图像。所述叠层扫描是这样一种扫描方式，待测样品在物平面内依次平移一定的距离，平移时需保证相邻平移位置间待测样品上被光束照明的区域内存在一定的交叠。该交叠区域即提供了相邻视场内信息冗余度的约束，以解决视场拼接中的图像融合问题。上述技术措施的具体描述如下：(1)叠层扫描数字全息术的记录。待测样品O(x，y)被照明探针Pn(x，y)(n=1，2，3...表示不同的扫描位置)照明并传播至图像传感器CCD上，因此CCD上物光的复振幅为：Ocn(ξ，η)=FrTλ，d[pn(x，y)·O(x，y)](1)其中FrT为菲涅尔变换算符，λ为所用激光的波长，d为衍射距离。设参考光为R，则CCD拍摄的全息图可表示为：In(ξ,η)=|Ocn(ξ,η)+R|2=Ocn2(ξ,η)+R2+ROcn*(ξ,η)+R*Ocn(ξ,η)---(2)]]>其中*为复共轭算符。移动样品进行叠层扫描并记录各扫描位置下的全息图，由于样品上更多的区域被光束照明，因此数字全息的视场能够得到有效地增大。(2)叠层扫描数字全息术的重建。由于全息图是数字记录，因此可以在计算机完成待测样品的复振幅成像。成像所用算法为基于叠层扫描的数字全息重建算法，该算法是数字全息和叠层成像二者的优化结合，包括全息处理和叠层迭代两个方面。第一方面为全息处理过程。为了提高成像效率和质量，可针对样品上不同的扫描位置Pn(x，y)采用不同的全息图处理方式。如一个样品的所有扫描位置为P1(x，y)-P9(x，y)，其中特殊区域(样品位相变化较大或扫描交叠不充分的区域)为P1(x，y)-P4(x，y)，而其他一般扫描区域为P5(x，y)-P9(x，y)。则相应的全息图处理为：对于P1(x，y)-P4(x，y)，处理其全息图I1(ξ，η)-I4(ξ，η)得到CCD上物体的复振幅Oc1(ξ，η)-Oc4(ξ，η)；而对于一般的扫描位置P5(x，y)-P9(x，y)，则通过全息图得到相应的振幅强度即可。该处理过程可进一步依据实际的测量需求来进行优化设置以降低数据的处理量。第二方面为叠层迭代过程。迭代中的约束量为上面全息处理后的数据信息，由于标记的特殊区域P1(x，y)-P4(x，y)可通过全息处理得到精确地恢复Oc1(ξ，η)-Oc4(ξ，η)，且这些精确信息可在迭代过程中作为修正值反复使用，因此叠层迭代本身的速度和抗噪声能力都能够得到较大幅度的提升。迭代的第一步是对待测样品做初始猜测为(初始时k=1为迭代次数)，由照明探针Pn(x，y)照明后传输到CCD面上：OgcRk(ξ,η)=FrTλ,d[Pn(x,y)·Ogk(x,y)]---(3)]]>将处理得到的振幅强度作为约束条件代入到迭代恢复的过程中：OgcnRk(ξ,η)=Ocn2(ξ,η)·Ogcnk(ξ,η)abs[Ogcnk(ξ,η)]---(4)]]>其中abs为取模值运算符，若使用复振幅作为约束，则直接令即可。再将(4)式的计算结果逆衍射回物面：OgnRk(x,y)=FrTλ,d-1[OgcnRk(ξ,η)]---(5)]]>其中FrT1为逆菲涅尔变换的运算符。接着更新初始样品猜测更新公式为：Ogk^(x,y)=Ogk(x,y)+U[OgnRk(x,y)-Pn(x,y)·Ogk(x,y)]---(6)]]>其中U为更新系数：U=|Pn(x,y)||Pn,max(x,y)|·Pn*(x,y)|Pn(x,y)|2+δ---(7)]]>其中Pnmax(x，y)表示Pn(x，y)模值的最大值，δ为噪声压缩因子，其值为接近0的常数，通常设为0.01。公式(6)可将扫描后断裂的视场拼接起来的，对于相邻的视场Pn(x，y)和Pn+1(x，y)，由于交叠式的扫描保证了相邻扫描区域间存在一定的交集，于是样品每一次的迭代更新都会调用上一扫描后的重建结果，交集部分的冗余信息即成为重建中的一个有效约束条件，因此解决了传统扫描数字全息视场拼接中的图像融合问题。完成更新操作后，移至下一照明探针Pn(x，y)(n=n+1)，并将初始猜测替换为重复公式(3)-(6)直到最后一个照明位置。持续进行以上迭代过程，即k=k+1，直到k的值达到设定的阈值，通常情况下k=100已能输出较好地重建结果。本专利技术与现有技术相比有以下优点：(1)利用本专利技术的成像方法，可以有效地增大传统数字全息成像系统的视场，真正实现视场不受限的复振幅成像；(2)本专利技术利用叠层扫描中信息冗余量的约束，有效地解决了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术，其成像过程包括以下步骤：第一步，将待测样品在物平面内以叠层扫描的方式进行平移，并用图像传感器依次记录各扫描位置所对应的全息图；第二步，使用基于叠层扫描的数字全息算法对全息图进行处理，在计算机上得到待测样品的大视场复振幅图像。

【技术特征摘要】
1.一种面向成像视场增大的叠层扫描数字全息术，其成像过程包括以下步骤：
第一步，将待测样品在物平面内以叠层扫描的方式进行平移，并用图像传感器依次记录
各扫描位置所对应的全息图；
第二步，使用基于叠层扫描的数字全息算法对全息图进行处理，在计算机上得到待测样
品的大视场复振幅图像。
2.如权利要求1中所使用的基于叠层扫描的数字全息重建算法，其特征在于，该算法既
解决了数字全息的视场拼接和图像融合问题，又提高了叠层迭代的收敛速度和抗噪声干
扰能力。
3.如权利要求1和2中所述的叠层扫描，其特征在于，待测样品在物平面二维坐标内依...

【专利技术属性】
技术研发人员：史祎诗，高乾坤，王雅丽，李拓，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京;11