一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法技术

本发明专利技术公开了一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法，属于超分辨成像技术领域，解决了通过迭代算法对混叠频谱进行解调实时性较差的问题，本发明专利技术采用三种不同波长的光束产生结构光场，每个结构光光场由一束45

【技术实现步骤摘要】
一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法


[0001]本专利技术属于超分辨成像
，具体涉及一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法。

技术介绍

[0002]微纳结构因其尺度细微产生的众多优良理化特性，被广泛应用于电子信息、国防军工和生物医学等众多领域。为了寻求更加优异的性能，微纳结构的尺度已由微米量级发展至纳米量级。数字全息作为一种微纳光学测量手段，相较于其他测量方法免去了扫描步骤，可实现面形信息的快速构建，是一种有效的微纳结构的高精度三维形貌表征手段。数字全息作为光学手段存在衍射受限，其横向分辨率仅能达到300nm左右。如何突破衍射极限，提升数字全息系统的分辨率，一直是检测领域关注的难点问题之一。
[0003]多年来，研究人员相继提出了一系列突破衍射极限的光学测量手段，其中结构光照明超分辨凭借其装置简单、面快速成像的优势已成为光学显微超分辨成像方面应用最多的技术之一。
[0004]为了提升数字全息的测量分辨率，研究者将结构光照明超分辨技术结合到数字全息测量光路中，能够将数字全息分辨率提升一倍，形成了全新的结构光数字全息显微方案。但该方案为实现超分辨信息的解调和各向同性，需要采集多幅相移结构光数字全息图。研究者提出了许多无相移的测量方案，配合并后续解调算法以提升测量系统的测量效率。然而，以前提出的方案在无相移的过程中，基本都是通过迭代算法对混叠频谱进行解调，实时性较差。现有测量系统存在的问题限制了结构光数字全息在高速三维超分辨测量领域的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于：
[0006]为解决上述问题，提供一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法，在不改变原有解调算法的基础上，通过波长复用手段，结合偏振调制技术将结构光数字全息测量中的相移和结构光旋转过程简化，进一步提高结构光数字全息的时间分辨率。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法，包括：
[0009]采用三种不同波长的光束产生结构光场，每个结构光光场由一束45
°
线偏振光束与一束圆偏振光光束干涉产生，形成复合结构光场照明待测样品，通过显微物镜产生物光，随后正入射到分光元件上；同时一束45
°
线偏振光束作为参考光入射分光元件的另一侧，物光和参考光通过偏振分光元件后，两束光的S光和P光分离，经耦合透镜产生横向位移，在彩色相机上相干叠加产生两幅带有相移差的彩色结构光数字全息图；通过对每幅图像的色彩通道进行分离，单次曝光得到六幅结构光数字全息图，通过后续超分辨解调算法解调出其中的高频信息，实现瞬态三维超分辨成像。
[0010]进一步地，所述两幅带有相移差的彩色结构光数字全息图的产生方法具体为：
[0011]假定结构光光场的两个干涉光束为平面波，则光束可以表示为：
[0012][0013][0014]其中O
1j
为45
°
线偏振光，O
2j
为右旋圆偏振光，A为光束的振幅，为光束的相位。O
1、2j
分别表示当j＝1时，表示在水平方向的干涉光束，当j＝2时，表示与水平方向呈60
°
方向的干涉光束，当j＝3时，表示与水平方向呈120
°
方向的干涉光束，相同波长的两束光载频呈共轭状态；在透射过待测物体之后，两束物光可以表示为：
[0015][0016][0017]其中为待测物体的相位信息，假定与水平方向呈45
°
的线偏振光为平面波，则可以表示为：
[0018][0019]其中为待测物体的相位信息，物光和参考光在通过偏振分光元件之后，P光和S光部分分别相干叠加产生固定相位差为的结构光数字全息光场：
[0020][0021][0022]加载在相位光栅周期T＝100μm。
[0023]进一步地，所述超分辨解调算法具体如下：
[0024]对采集到的结构光数字全息图进行全息重建，使用角谱法完成数值重建，衍射传播距离为d的物光波被重建：
[0025][0026]上式中，FFT和IFFT分别代表快速傅里叶变换及其逆变换，f
x
和f
y
分别是x和y方向
的空间频率；在空间频域中使用频谱窗口W(f
x
,f
y
)来实现滤波；通过频谱平移函数S(f
x
,f
y
)将滤波后的频谱平移至中心位置消除图像的一阶像差；对于各光学透镜产生的高阶像差，用基于共轭参考全息图的标定方法移除相位畸变的影响；其中，补偿项通过记录无样品的空白全息图进行构建；
[0027]根据建立的理论模型中式，得到物光波部分：和其频谱分布可以表示为：
[0028]F
1j
＝2AB[IG(f
‑
f
j
)+IG(f+f
j
)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0029][0030]其中，IG(f)对应于的傅里叶变换；通过表达式得出，接收图像的频谱包含两个部分，其中心频率分别为f
j
、
‑
f
j
；在两个频谱信息相互混叠的情况下，为完整恢复频谱信息，通过变换等式得到分离的两部分频谱：
[0031][0032]根据傅里叶变换的平移特性，将错位的IG(f
‑
f0)、IG(f+f0)在空域中完成信息移位：
[0033]IG(f)＝IFFT[FFT[IG(f
‑
f
j
)]exp(i2πf
j
x)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0034]将分离的多个频谱按权重进行叠加，并进行傅里叶逆变换，得到超分辨图像，即实现对结构光数字全息图的解调。
[0035]进一步地，各方向入射光束由空间光调制器、物理光栅或双棱镜中的一种或多种生成。
[0036]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0037]本专利技术采用波长复用、偏振调制的结构光光场照明，通过偏振分光元件实现空间相移，配合彩色相机完成多方向高频信息解耦，最后利用基于相移的结构光超分辨解调算法实现三维超分辨成像，相比于传统结构光数字全息方案，该方案能提升六倍的采集效率，有效实现了三维超分辨信息的瞬态测量。
附图说明
[0038]图1为本专利技术不同波长产生的不同方向结构光照明图；
[0039]图2为本专利技术复合多波长超分辨解调算法流程示意图。
具体实施方式
[0040]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0041]本专利技术为一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法，包括：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法，其特征在于，包括：采用三种不同波长的光束产生结构光场，每个结构光光场由一束45
°
线偏振光束与一束圆偏振光光束干涉产生，形成复合结构光场照明待测样品，通过显微物镜产生物光，随后正入射到分光元件上；同时一束45
°
线偏振光束作为参考光入射分光元件的另一侧，物光和参考光通过偏振分光元件后，两束光的S光和P光分离，经耦合透镜产生横向位移，在彩色相机上相干叠加产生两幅带有相移差的彩色结构光数字全息图；通过对每幅图像的色彩通道进行分离，单次曝光得到六幅结构光数字全息图，通过后续超分辨解调算法解调出其中的高频信息，实现瞬态三维超分辨成像。2.根据权利要求1所述的一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法，其特征在于，所述两幅带有相移差的彩色结构光数字全息图的产生方法具体为：假定结构光光场的两个干涉光束为平面波，则光束可以表示为：假定结构光光场的两个干涉光束为平面波，则光束可以表示为：其中O
1j
为45
°
线偏振光，O
2j
为右旋圆偏振光，A为光束的振幅，为光束的相位。O
1、2j
分别表示当j＝1时，表示在水平方向的干涉光束，当j＝2时，表示与水平方向呈60
°
方向的干涉光束，当j＝3时，表示与水平方向呈120
°
方向的干涉光束，相同波长的两束光载频呈共轭状态；在透射过待测物体之后，两束物光可以表示为：态；在透射过待测物体之后，两束物光可以表示为：其中为待测物体的相位信息，假定与水平方向呈45
°
的线偏振光为平面波，则可以表示为：其中为待测物体的相位信息，物光和参考光在通过偏振分光元件之后，P光和S光部分分别相干叠加产生固定相位差为的结构光数字全息光场：
加载在相位光栅周期T＝100μm。3.根据权利要求2所述的一种瞬态结构光数字全息超分辨成像方法，其特征在于，所述超分辨解调算...

【专利技术属性】
技术研发人员：金川，周吉，刘俊伯，全海洋，孙海峰，
申请(专利权)人：四川科奥达技术有限公司，
类型：发明
国别省市：