一种数字像面全息显微图的优化方法技术

数字像面全息显微技术中，记录过程引入的噪声限制了轴向测量的精度和可靠性。目前对于抑噪方法的研究，主要针对高频噪声。本发明专利技术研究了一种数字像面全息显微图的优化方法，对记录噪声高频和低频部分均有抑制作用，提高重构相位的信噪比。优化方法利用数字像面全息显微技术，结合经验模态分解方法，分解处理、优化全息图。应用优化方法对标准纳米台阶的表面形貌进行测量，对比并分析优化前后全息图的频谱以及测量的高度图，证明优化方法在保证对微结构表面形貌实现可靠测量的基础上，提高了数字像面全息显微技术的重构相位信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种数字像面全息显微图的优化方法
本专利技术属于信号处理
，尤其是涉及一种数字像面全息显微图的优化方法。
技术介绍
数字像面全息显微技术(DigitalImage-planeHolographicMicroscopy,DIPHM)是数字全息显微技术(DigitalHolographicMicroscopy,DHM)的一种特例。通过在显微物镜的成像面记录全息图，得到数字像面全息显微图。相对于传统数字全息显微图，重构像面全息显微图不需要进行衍射计算，因此具有噪声低、效率高以及真正全视场重构的优势。对于像面全息图，虽然重构过程避免传统数字全息衍射计算所引入的噪声，但是对于记录过程中，记录环境以及记录器件引入噪声，导致重构相位可靠性及精度下降的问题并无改善。国内外学者优化数字全息显微技术信噪比的研究，主要集中于抑制零级像的方法以及针对重构图噪声的数字图像处理方法，例如频域滤波法、相移法、全息图相减法等抑制零级像，高斯滤波方法、小波法等抑制散斑噪声等方法。然而对于离轴数字全息技术，通过控制离轴角度，可实现零级像与实虚像的分离，使重构像免受零级像的影响；而数字图像处理方法多施加于重构后的相位或者强度图，通过对相位或强度图进行一定的平滑处理实现对噪声的抑制，提高信噪比，是在全息技术的最后阶段对重构像的优化，主要消除的是高频噪声。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种数字像面全息显微图的优化方法，以解决上述
技术介绍
中提到的问题。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种数字像面全息显微图的优化方法，具体包括，对像面全息图进行本征模态分解，提取第一层本征模函数，即提取全息图像中的干涉信息，实现对像面全息图的优化。进一步的，所述优化方法具体包括(1)将像面全息图的像素灰度值存入矩阵，矩阵的i行记为hi；(2)计算hi数组的上下包络线，求上下包络线的数值平均值Mi；(3)hi-Mi＝IMF1i，将所有行的IMF1i按照原行的位置组合成矩阵IMF1，IMF1即为优化后的数字像面全息显微图。进一步的，所述优化方法还包括解析经优化的数字像面全息显微图相位，具体包括：对优化后的数字像面全息显微图进行频谱滤波，获得携带参考光载频的实像频谱R(x,y)O*(x,y)＝IFT{W(ξ,η)FT[IIMF1(x,y)]}(1)式中，R(x,y)O*(x,y)为含参考光载频的实像复振幅，IIMF1(x,y)为优化后的像面全息图，FT和IFT为傅里叶变换和逆傅里叶变换，W(ξ,η)为圆形窗函数，实现频谱滤波；直接在全息图中提取的实像频谱含有相位畸变，需要进行畸变校正，校正后的物光波复振幅为u(x,y)＝Γ(x,y)[R(x,y)O*(x,y)](2)式中，Γ(x,y)为校正相位畸变并拟合参考光的因子。求解不含畸变的正确相位φ(x,y)为被测样本的形貌高度为h(x,y)其中，λ为光源波长。本专利技术的另一目的在于提出一种数字像面全息显微图的优化装置，具体技术方案如下：一种数字像面全息显微图的优化装置，包括第一层本征模函数提取装置。进一步的，具体包括矩阵存储装置、包络线计算装置和矩阵组合装置。进一步的，还包括数字像面全息显微图相位解析装置。相对于现有技术，本专利技术所述的一种数字像面全息显微图的优化方法具有以下优势：本专利技术利用经验模态分解分解方法对数字像面全息显微图进行优化，优化过程实现了对全息图中包含物光复振幅的干涉信息的强化，对含有高频以及低频噪声的背景信息的弱化，提高相位及高度测量的信噪比；优化方法不仅降低高频噪声，消除零级像的影响，对环境背景光造成的低频噪声亦实现抑制，提高测量的稳定性和可靠性。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例所述的干涉条纹的可见度示意图；图2为本专利技术实施例所述的数字像面全息显微系统光路示意图；图3为本专利技术实施例所述的优化前后的标准纳米台阶数字像面全息图；图4为本专利技术实施例所述的优化前(a)后(b)的频谱图；图5为本专利技术实施例所述的优化前后频谱图形窗内频谱分量-归一化频谱能量统计图；图6为本专利技术实施例所述的优化后标准纳米台阶的高度图；图7为本专利技术实施例所述的优化前后纳米台阶轮廓线高度图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。数字像面全息显微图是数字全息显微系统中，在显微物镜聚焦成像面记录的全息干涉图。像面全息图的强度为I(x,y)＝O(x,y)2+R(x,y)2+O*R(x,y)+OR*(x,y)(1)式中，O(x,y)为物光波的复振幅，R(x,y)为参考光波的复振幅，O(x,y)2+R(x,y)2为零级像，O*R(x,y)+OR*(x,y)表示实像和虚像。零级像、实像和虚像在像面全息图的频谱图中分别占据三部分。参考光在全息干涉的过程中，通过引入载频使实虚像与零级像分离。实际上，频域中带有载频的实虚像频谱信息在空域中的表现即为全息图中细密的干涉条纹。干涉条纹携带有全部的物光和参考光复振幅信息。通过对干涉条纹进行解析，拟合参考光并校正物光中的相位畸变，即可获取具有正确相位信息的物光波复振幅，得到相位和样本的高度信息。记录像面全息图时，记录环境中必然引入噪声，但环境噪声是复杂的，噪声源主要包括环境杂散光、光电记录器件的热噪声以及被测样本自身的散斑噪声等。记录环境中的环境杂散光强度相对于激光光源较弱，所引发的噪声属于低频噪声；光电记录器件的热噪声以及样本的散斑噪声属于高频噪声。因此，应在高频和低频两方面对噪声进行抑制，才能更加全面地提高相位信噪比。实际上，在全息图中，干涉条纹已携带全部的物光复振幅信息，而上述分析的噪声存在于除去干涉条纹的全息图背景中。因此，强化干涉信息，提取干涉条纹，弱化非干涉的背景部分，是优化像面全息图，提高信噪比的关键。数字像面全息显微图的优化方法经验模态分解中，本征模函数必须满足以下两个条件：(1)函数在整个时间范围内，局部极值点和过零点的数目必须相等，或最多相差一个；(2)在任意时刻点，局部最大值的包络(上包络线)和局部最小值的包络(下包络线)平均必须为零。通过实践可知，干涉条纹的可见度恰好是本征模函数的理想情况，如图1所示。因此，对像面全息图进行本征模态分解，提取第一层本征模函数(IntrinsicModeFunction，IMF1)，即提取全息图中的干涉信息，实现对像面全息图的优化。具体的实现方法如下：(1)将像面全息图的像素灰度值存入矩阵，矩阵的i行记为hi；(2)计算hi数组的上下包络线，求上下包络线的数值平均值Mi；(3)hi-Mi＝IMF1i，将所有行的IMF1i按照原行的位置组合成矩阵IMF1，IMF1即为优化后的数字像面全息显微图。解析经优化的数字像面全息显微图相位对优化后的数字像面全息显微图进行频谱滤波，获得携带参考光载频的实像频谱R(x,y)O*(x,y)＝IFT{W(ξ,η)FT[IIMF1(x,y)]}(2)式中，R(x,y)O*(x,y)为含参考光载频的实像复振幅，IIMF1(x,y)为优化后的像面全息图，FT和IFT为傅里叶变换和逆傅里本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数字像面全息显微图的优化方法，其特征在于：具体包括，对像面全息图进行本征模态分解，提取第一层本征模函数，即提取全息图像中的干涉信息，实现对像面全息图的优化。

【技术特征摘要】
1.一种数字像面全息显微图的优化方法，其特征在于：具体包括，对像面全息图进行本征模态分解，提取第一层本征模函数，即提取全息图像中的干涉信息，实现对像面全息图的优化。2.根据权利要求1所述的一种数字像面全息显微图的优化方法，其特征在于：所述优化方法具体包括(1)将像面全息图的像素灰度值存入矩阵，矩阵的i行记为hi；(2)计算hi数组的上下包络线，求上下包络线的数值平均值Mi；(3)hi-Mi＝IMF1i，将所有行的IMF1i按照原行的位置组合成矩阵IMF1，IMF1即为优化后的数字像面全息显微图。3.根据权利要求1所述的一种数字像面全息显微图的优化方法，其特征在于：所述优化方法还包括解析经优化的数字像面全息显微图相位，具体包括：对优化后的数字像面全息显微图进行频谱滤波，获得携带参考光载频的实像频谱R(x,y)O*(x,y)＝IFT{W(ξ,η)FT[IIMF1(x,y)]}...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾雅楠，刘源，吴海云，胡晓东，卢钧胜，常新宇，
申请(专利权)人：天津农学院，
类型：发明
国别省市：天津,12