基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法及系统，属于光学测量领域，包括：采集第一幅全息图后正交移动样品两次并分别捕获得到三幅全息图；对全息图相位调解得到三个原始相位结果；对结果进行坐标变换，使得变换后的测试物体相位一致；差分计算得到系统像差相位在两次位移前后的相位差分数据；计算切比雪夫多项式系数进而计算出系统像差相位；对得到的包含像差的原始相位结果减去系统相差相位，得到测试物体相位。本发明专利技术可以有效地保护物体相的中高频信息，且对光路设置要求低，只需要增添一个额外的三轴位移平台就可以对任意传统的数字全息显微镜成像系统进行系统像差补偿。

Absolute Aberration Calibration Method and System of Digital Holographic Microscope Based on Sequential Shift and Chebyshev Polynomial Fitting

【技术实现步骤摘要】
基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法及系统
本专利技术涉及一种基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法及系统，属于光学测量

技术介绍
数字全息显微镜是一种非破坏性，无标记和干涉定量相位对比技术，在生物学，神经科学，纳米粒子跟踪，微流体和计量学等许多领域产生巨大影响。与其他传统干涉系统一样，数字全息显微系统也存在系统相位畸变，主要由显微镜物镜和其他光学元件本身的像差和系统装调误差引入。通常，系统相位像差叠加在样本相位信息上，需要对其进行补偿。最近，已经提出了许多物理和数值方法来补偿或校准系统相位畸变。使用远心配置或可调透镜可以将相位像差引入参考光束，这将部分地补偿低阶相位像差。双曝光方法需要在第二次曝光中从参考光束中移除样本，并且可以精确地补偿总像差。物理补偿方法理论上可以很好地补偿像差，但在实际应用中，由于对光路准确性和稳定性要求极高，往往受限于器件之间的误差，装调误差而得不到理想结果。在数值补偿方法中，系统相位像差由球函数，抛物线函数和Zernike多项式描述。最小二乘拟合法和主成分分析法可用于获取标准多项式的低阶参数。在拟合方法中，需要在最小二乘拟合之前选择无标本区域，并且在近期文献中提出了利用深度学习技术来选择无标本区域。相位像差也可以在非线性优化过程中提取，其中样本的相位变化作为优化对象。数值补偿本身是一种近似方法，往往对于光路没有太高的要求。使用的计算函数、算法不同，方法本身的误差也不一样，其适用情况，即方法能够消除的像差种类和方法使用的前提条件也不一样，甚至有的方法本身还会损失信息，比如利用背景拟合的方法要求背景占的比重远大于测试样品，使用滤波的方式实现补偿的方法会不可避免地损失目标物体信息等。在光学表面测量中，广泛使用的Fizeau和Twyman-Green干涉仪使用普通质量参考表面(λ/20PeaktoValley)作为测试标准，为了获得亚纳米级的度量，绝对测试技术是校准参考表面偏差的最重要技术之一。已经提出了几种用于光学表面测量的绝对测试方法，例如双球方法，随机球平均方法和移位-旋转方法。在移位-旋转绝对测试方法中，测量过程中参考表面的位置不变，测试表面在移位和旋转位置进行测试。基于移位和旋转位置的测量数据，可以提取测试表面的偏差。移位-旋转绝对测试方法中参考表面偏差的校准过程为我们提供了一种新的数字全息显微镜绝对校准可能。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法及系统，可以有效地保护物体相的中高频信息，即使对于非常复杂的像差，也可以消除各种低阶和高阶像差。本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法，包括以下步骤：(1)采集全息图，在采集第一幅全息图后，通过在光轴的垂直平面上正交地移动样品两次并分别捕获其全息图，得到包含测试物体相位和系统像差相位的三幅全息图；系统像差包括由离轴全息的离轴角引起的倾斜像差，以及由参考光和物光经过的光学元件如显微物镜等不完全一致导致引入的其它像差，包括：离焦，球差，像散等低阶和高阶像差；(2)对步骤(1)获得的三幅全息图分别进行相位调解，通过基于傅里叶变换的相位解调方法，提取其频谱的+1级信息，并从+1级信息中提取测试物体相位，得到三个包含像差的原始相位结果；原始相位结果包括系统像差相位和测试物体相位，这三个原始相位结果中的系统像差相位分量是一样的，而测试物体相位分量有对应的微小位移，其中频谱的+1级信息指的是全息图的傅里叶频谱中对应物体实像信息的分量；(3)对步骤(2)得到的三个包含像差的原始相位结果进行坐标变换，使得变换后的使得变换后的三个相位结果的测试物体相位一致，而系统像差相位之间有微小位移；(4)对步骤(3)得到的三个相位结果进行差分计算，得到系统像差相位在两次位移前后的相位差分数据；(5)对步骤(4)得到的两个相位差分数据，根据切比雪夫多项式和两次位移对应的移动量计算出系统像差相位的切比雪夫多项式系数，并将切比雪夫多项式系数带入切比雪夫多项式中计算出系统像差相位；(6)对步骤(2)得到的包含像差的原始相位结果减去步骤(5)得到的系统相差相位，得到测试物体相位。优选的，所述步骤(2)中，第一幅全息图对应的原始相位结果如式(Ⅰ)所示：T1(x,y)＝R(x,y)+O(x,y)(Ⅰ)式(Ⅰ)中，R(x,y)和O(x,y)分别是系统像差相位和测试物体相位，(x,y)分别是图像上的点的横、纵位置坐标，其中系统像差相位R(x,y)可以表示如式(Ⅱ)所示：式(Ⅱ)中，ai是切比雪夫多项式的系数，Ci(x,y)是切比雪夫多项式的项，n是切比雪夫多项式的项数；在光轴的垂直平面上第一次移动样品并捕获全息图，移动方向设定为x轴，移动距离为Δx,然后在光轴的垂直平面沿与x轴垂直的y轴方向第二次移动样品并捕获全息图，移动距离为Δy,对应的通过步骤(2)得到的原始相位结果如式(Ⅲ)所示：优选的，所述步骤(3)中，对步骤(2)获得的三个原始相位结果进行坐标变换，使得变换后的三个相位结果的测试物体相位变得一致，而系统像差相位之间有微小位移，如式(Ⅳ)所示：优选的，通过步骤(4)对步骤(3)求得的三个相位结果进行差分计算，得到系统像差相位在两次位移前后的相位差分数据ΔT1和ΔT2，如式(Ⅴ)所示：式(Ⅴ)中，ΔCix(x,y)和ΔCiy(x,y)分别是切比雪夫多项式在x和y方向上的微分，式(Ⅴ)可以用矩阵形式表示为：CA＝ΔT(Ⅵ)其中C，A和ΔT表示为：A＝[a1a2…an]T(Ⅷ)ΔT＝[ΔT1(1,1)ΔT1(1,2)…ΔT1(M,N)ΔT2(1,1)ΔT2(1,2)…ΔT2(M,N)]T(Ⅸ)其中M和N是数字全息图的行数和列数，求解方程(Ⅵ)，得到切比雪夫多项式的系数ai。优选的，将切比雪夫多项式的系数ai代入式(Ⅱ)计算，得到系统像差相位，采用包含像差的原始相位结果T1(x,y)减去系统像差相位R(x,y)得到测试物体相位。一方面，本专利技术提供一种上述的基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法的实现系统，包括三轴位移平台，待测物体位于所述三轴位移平台上。对于一个标准的数字全息显微镜光路设置，本专利技术只需要增添一个额外的三轴位移平台就可以进行系统的像差补偿，即可以对任何传统的数字全息显微镜光学系统实现补偿。优选的，该系统还包括依次设置的偏振激光器、第一半波片、空间滤波器和偏振分光棱镜，光通过偏振分光棱镜后分两路，一路设置有第二半波片，光通过第二半波片后通过第二反射镜反射后经非偏振分光棱镜照射在CCD探测器上，另一路经第一反射镜反射后，照射在位于三轴位移平台的待测物体上，经第一显微物镜、非偏振分光棱镜照射在CCD探测器上。进一步优选的，所述偏振激光器为偏振氦氖激光器。本专利技术在采集第一幅全息图后，通过在光轴的垂直平面上正交地移动样品两次并分别捕获全息图，本专利技术的关键是从这三个全息图中获取切比雪夫多项式的系统像差相位参数，其中系统像差相位可以由一系列切比雪夫多项式表示。然后，从物体波的相位分布中减去计算出的系统相位像差，以实现定量相位成像。这种绝对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集全息图，在采集第一幅全息图后，通过在光轴的垂直平面上正交地移动样品两次并分别捕获其全息图，得到包含测试物体相位和系统像差相位的三幅全息图；(2)对步骤(1)获得的三幅全息图分别进行相位调解，通过基于傅里叶变换的相位解调方法，提取其频谱的+1级信息，并从+1级信息中提取测试物体相位，得到三个包含像差的原始相位结果；(3)对步骤(2)得到的三个包含像差的原始相位结果进行坐标变换，使得变换后的使得变换后的三个相位结果的测试物体相位一致，而系统像差相位之间有微小位移；(4)对步骤(3)得到的三个相位结果进行差分计算，得到系统像差相位在两次位移前后的相位差分数据；(5)对步骤(4)得到的两个相位差分数据，根据切比雪夫多项式和两次位移对应的移动量计算出系统像差相位的切比雪夫多项式系数，并将切比雪夫多项式系数带入切比雪夫多项式中计算出系统像差相位；(6)对步骤(2)得到的包含像差的原始相位结果减去步骤(5)得到的系统相差相位，得到测试物体相位。

【技术特征摘要】
1.一种基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集全息图，在采集第一幅全息图后，通过在光轴的垂直平面上正交地移动样品两次并分别捕获其全息图，得到包含测试物体相位和系统像差相位的三幅全息图；(2)对步骤(1)获得的三幅全息图分别进行相位调解，通过基于傅里叶变换的相位解调方法，提取其频谱的+1级信息，并从+1级信息中提取测试物体相位，得到三个包含像差的原始相位结果；(3)对步骤(2)得到的三个包含像差的原始相位结果进行坐标变换，使得变换后的使得变换后的三个相位结果的测试物体相位一致，而系统像差相位之间有微小位移；(4)对步骤(3)得到的三个相位结果进行差分计算，得到系统像差相位在两次位移前后的相位差分数据；(5)对步骤(4)得到的两个相位差分数据，根据切比雪夫多项式和两次位移对应的移动量计算出系统像差相位的切比雪夫多项式系数，并将切比雪夫多项式系数带入切比雪夫多项式中计算出系统像差相位；(6)对步骤(2)得到的包含像差的原始相位结果减去步骤(5)得到的系统相差相位，得到测试物体相位。2.根据权利要求1所述的基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法，其特征在于，所述步骤(2)中，第一幅全息图对应的原始相位结果如式(Ⅰ)所示：T1(x,y)＝R(x,y)+O(x,y)(Ⅰ)式(Ⅰ)中，R(x,y)和O(x,y)分别是系统像差相位和测试物体相位，(x,y)分别是图像上的点的横、纵位置坐标，其中系统像差相位R(x,y)表示如式(Ⅱ)所示：式(Ⅱ)中，ai是切比雪夫多项式的系数，Ci(x,y)是切比雪夫多项式的项，n是切比雪夫多项式的项数；在光轴的垂直平面上第一次移动样品并捕获全息图...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振华，何伟林，杨忠明，刘兆军，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37