一种同轴数字全息自动聚焦方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种同轴数字全息自动聚焦方法及系统。所述方法包括：获取包含样品的全息图数字矩阵和不包含样品的背景光数字矩阵；全息图数字矩阵与背景光数字矩阵为基于Gabor同轴全息结构采集得到；根据全息图数字矩阵和背景光数字矩阵计算标准化全息图和标准化全息图的幅值；获取自聚焦搜索范围；根据自聚焦搜索范围确定多个重建距离；对于每个重建距离，采用标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图；获取每个全息重建图的重建目标函数值；将重建目标函数值最小的重建距离确定为物体的最佳聚焦位置。本发明专利技术可以提高聚焦准确性和健壮性，并有效适用于不同的成像目标类型。

An automatic focusing method and system of coaxial digital holography

【技术实现步骤摘要】
一种同轴数字全息自动聚焦方法及系统
本专利技术涉及数字全息成像领域，特别是涉及一种同轴数字全息自动聚焦方法及系统。
技术介绍
数字全息成像包括全息图记录和数值再现两个过程，其中，对于全息数值再现而言，如何获得准确的最佳重建距离对于重建质量至关重要。通常，全息成像自动聚焦方法基于一个判据函数，将该判据函数分别作用于不同重建距离的再现结果，判据值最大或最小位置所对应的重建距离即选定为最佳重建距离。因此，该聚焦判定函数即成为全息重建自动聚焦的关键。目前，已有多种全息成像聚焦判据函数被提出，包括图像的方差、梯度、自相关、傅里叶谱、信息熵、稀疏性等。然而，大多数聚焦判据仅针对特定类型的目标(相位目标或者强度目标)，且适用的光路结构为离轴全息或者相移同轴全息，这两种全息成像结构均能获得复振幅物光波，再现结果不受共轭像和零级像干扰。相比离轴全息或相移同轴全息结构，Gabor同轴全息结构具有结构紧凑、无透镜、空间带宽积利用率高、实时性好等优点，然而由于全息图采集时相位信息丢失，传统Gabor同轴全息再现像受到共轭像、零级像等干扰，极大的影响成像质量，这使得Gabor同轴数字全息的自动聚焦更具挑战性。有相关文件是基于重建图像频谱的1范数实现快速的自聚焦，但是其方法针对的纯幅值目标；还有相关文献提出两种基于复振幅图像梯度的稀疏性判据，有效应用于同轴全息结构下的生物样品，但是用于聚焦判据的再现结果不同于最终的相位复原再现结果，共轭像和零级像干扰仍会影响其聚焦准确性，且当实验受到更多噪声(如非均匀照明背景，探测器非均匀响应)等综合因素干扰时，自聚焦准确性会受到进一步影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种同轴数字全息自动聚焦方法及系统，以提高聚焦的准确性和健壮性。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种同轴数字全息自动聚焦方法，包括：获取包含样品的全息图数字矩阵和不包含样品的背景光数字矩阵；所述全息图数字矩阵与所述背景光数字矩阵为基于Gabor同轴全息结构采集得到；根据所述全息图数字矩阵和所述背景光数字矩阵计算标准化全息图和所述标准化全息图的幅值；获取自聚焦搜索范围；根据所述自聚焦搜索范围确定多个重建距离；对于每个重建距离，采用所述标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图；获取每个全息重建图的重建目标函数值；将重建目标函数值最小的重建距离确定为物体的最佳聚焦位置。可选的，所述根据所述自聚焦搜索范围确定多个重建距离，具体包括：将所述自聚焦搜索范围进行n等分，得到n个重建距离。可选的，所述对于每个重建距离，采用所述标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图，具体包括：初始化重建参数；所述重建参数包括物面背景μ、所述标准化全息图的相位分布W、物面上背景为0的样品复振幅分布X、迭代次数N和超参数τ；根据所述重建参数，对函数求解，得到重建距离dk的优化解μN、WN和XN；其中，<·,·>表示内积计算，k表示当前迭代次数；Ps(·)表示基于物面约束的投影操作，SFTτ(·)表示复数域的软阈值函数，H为标准化全息图的幅值，表示矩阵对应元素相乘，*表示卷积，T(-z)表示作用距离为-z的衍射传输点扩散函数，T(z)表示作用距离为z的衍射传输点扩散函数，m表示矩阵的行数，n表示矩阵的列数，L(X,W,μ)为重建目标函数；根据重建距离dk的优化解μN、WN和XN得到重建距离dk对应的全息重建图。可选的，所述获取每个全息重建图的重建目标函数值，具体包括：利用公式获取每个全息重建图的重建目标函数值，其中，||·||1表示1范数，μN1表示每个元素均为μN的矩阵，矩阵大小与XN相同。本专利技术还提供一种同轴数字全息自动聚焦系统，包括：数字矩阵获取模块，用于获取包含样品的全息图数字矩阵和不包含样品的背景光数字矩阵；所述全息图数字矩阵与所述背景光数字矩阵为基于Gabor同轴全息结构采集得到；计算模块，用于根据所述全息图数字矩阵和所述背景光数字矩阵计算标准化全息图和所述标准化全息图的幅值；搜索范围获取模块，用于获取自聚焦搜索范围；重建距离获取模块，用于根据所述自聚焦搜索范围确定多个重建距离；重建模块，用于对于每个重建距离，采用所述标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图；重建目标函数值获取模块，用于获取每个全息重建图的重建目标函数值；最佳聚焦位置确定模块，用于将重建目标函数值最小的重建距离确定为物体的最佳聚焦位置。可选的，所述重建距离获取模块将所述自聚焦搜索范围进行n等分，得到n个重建距离。可选的，所述重建模块具体包括：初始化单元，用于初始化重建参数；所述重建参数包括物面背景μ、所述标准化全息图的相位分布W、物面上背景为0的样品复振幅分布X、迭代次数N和超参数τ；求解单元，用于根据所述重建参数，对函数求解，得到重建距离dk的优化解μN、WN和XN；其中，<·,·>表示内积计算，k表示当前迭代次数；Ps(·)表示基于物面约束的投影操作，SFTτ(·)表示复数域的软阈值函数，H为标准化全息图的幅值，表示矩阵对应元素相乘，*表示卷积，T(-z)表示作用距离为-z的衍射传输点扩散函数，T(z)表示作用距离为z的衍射传输点扩散函数，m表示矩阵的行数，n表示矩阵的列数，L(X,W,μ)为重建目标函数；全息重建图获取单元，用于根据重建距离dk的优化解μN、WN和XN得到重建距离dk对应的全息重建图。可选的，所述重建目标函数值获取模块利用公式获取每个全息重建图的重建目标函数值，其中，||·||1表示1范数，μN1表示每个元素均为μN的矩阵，矩阵大小与XN相同。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术针对聚焦准确性问题，将同轴数字全息重建看做反问题优化求解，将重建目标函数值作为聚焦判据，将同轴全息自聚焦与再现统一在同一框架下，提高聚焦准确性和健壮性，并有效适用于不同的成像目标类型(振幅型、相位型、复振幅型)。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术同轴数字全息自动聚焦方法的流程示意图；图2为本专利技术同轴数字全息自动聚焦系统的结构示意图；图3为本专利技术具体实施案例的结果图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同轴数字全息自动聚焦方法，其特征在于，包括：/n获取包含样品的全息图数字矩阵和不包含样品的背景光数字矩阵；所述全息图数字矩阵与所述背景光数字矩阵为基于Gabor同轴全息结构采集得到；/n根据所述全息图数字矩阵和所述背景光数字矩阵计算标准化全息图和所述标准化全息图的幅值；/n获取自聚焦搜索范围；/n根据所述自聚焦搜索范围确定多个重建距离；/n对于每个重建距离，采用所述标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图；/n获取每个全息重建图的重建目标函数值；/n将重建目标函数值最小的重建距离确定为物体的最佳聚焦位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种同轴数字全息自动聚焦方法，其特征在于，包括：
获取包含样品的全息图数字矩阵和不包含样品的背景光数字矩阵；所述全息图数字矩阵与所述背景光数字矩阵为基于Gabor同轴全息结构采集得到；
根据所述全息图数字矩阵和所述背景光数字矩阵计算标准化全息图和所述标准化全息图的幅值；
获取自聚焦搜索范围；
根据所述自聚焦搜索范围确定多个重建距离；
对于每个重建距离，采用所述标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图；
获取每个全息重建图的重建目标函数值；
将重建目标函数值最小的重建距离确定为物体的最佳聚焦位置。


2.根据权利要求1所述的同轴数字全息自动聚焦方法，其特征在于，所述根据所述自聚焦搜索范围确定多个重建距离，具体包括：
将所述自聚焦搜索范围进行n等分，得到n个重建距离。


3.根据权利要求1所述的同轴数字全息自动聚焦方法，其特征在于，所述对于每个重建距离，采用所述标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图，具体包括：
初始化重建参数；所述重建参数包括物面背景μ、所述标准化全息图的相位分布W、物面上背景为0的样品复振幅分布X、迭代次数N和超参数τ；
根据所述重建参数，对函数求解，得到重建距离dk的优化解μN、WN和XN；其中，<·,·>表示内积计算，k表示当前迭代次数；Ps(·)表示基于物面约束的投影操作，SFTτ(·)表示复数域的软阈值函数，H为标准化全息图的幅值，⊙表示矩阵对应元素相乘，*表示卷积，T(-z)表示作用距离为-z的衍射传输点扩散函数，T(z)表示作用距离为z的衍射传输点扩散函数，m表示矩阵的行数，n表示矩阵的列数，L(X,W,μ)为重建目标函数；
根据重建距离dk的优化解μN、WN和XN得到重建距离dk对应的全息重建图。


4.根据权利要求3所述的同轴数字全息自动聚焦方法，其特征在于，所述获取每个全息重建图的重建目标函数值，具体包括：
利用公式获取每个全息重建图的重建目标函数值，其中，||·||1表示1范数，μN1表示每个元素均为μN的矩阵，矩阵大小与XN相同。


5.一种同...

【专利技术属性】
技术研发人员：李赜宇，严强，秦瑀，孔维鹏，李光彬，邹明芮，周逊，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51