一種基于像素偏振片陣列的數(shù)字全息顯微方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于像素偏振片陣列的數(shù)字全息顯微方法，利用微偏振片陣列相機(jī)作為相移偏振光路中的相移器和感光元件來記錄物光和參考光干涉形成的全息圖；從微偏振片陣列相機(jī)記錄采集的全息圖中提取四個偏振方向的干涉圖；利用線性插值等插值方法將提取的四個偏振方向干涉圖恢復(fù)到原始全息圖的大小，避免分辨率損失；利用四個偏振方向的干涉圖和相移干涉算法計算得到物光波前振幅圖和相位圖；利用濾波算法對物光波前振幅和相位進(jìn)行濾波，消除噪聲；根據(jù)衍射積分的反演算法，利用物光波前振幅圖和相位圖實現(xiàn)對觀測物體三維形貌的實時顯微重構(gòu)。
【專利說明】
一種基于像素偏振片陣列的數(shù)字全息顯微方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于或涉及細(xì)胞等微小物體的顯微成像領(lǐng)域，具體來講，本發(fā)明提出了一 種對于微米尺度物體進(jìn)行實時超景深三維成像的方法，該方法主要基于像素偏振片陣列。 偏振片陣列每一個結(jié)構(gòu)單元的尺寸與所搭配使用的圖像傳感器(CCD或CMOS)像素尺寸相匹 配。將其應(yīng)用于數(shù)字相移干涉技術(shù)中，不同于傳統(tǒng)的四步相移方法，該方法可以實時解算出 顯微物體在檢測面的振幅與相位分布圖。通過衍射的反演算法，用計算機(jī)做"透鏡"可以實 時得到成像物體的三維形貌圖像。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字全息顯微技術(shù)是基于數(shù)字全息技術(shù)的一種顯微觀察手段。受到觀測物體調(diào)制 的物光和參考光進(jìn)行干涉形成全息圖，利用CCD等光電記錄器件將全息圖數(shù)字化存入計算 機(jī)，然后通過相應(yīng)的算法模擬光學(xué)衍射過程，可在計算機(jī)中再現(xiàn)被測物體的三維信息。數(shù)字 全息顯微可應(yīng)用于材料表面三維形貌測量，細(xì)胞無損立體觀察及MEMS傳感器動態(tài)性能測量 等諸多領(lǐng)域。
[0003] 目前實現(xiàn)數(shù)字全息顯微的傳統(tǒng)方法主要為離軸數(shù)字全息和同軸相移數(shù)字全息。
[0004] 離軸數(shù)字全息可以消除衍射再現(xiàn)過程中零級像和共輒像的干擾，但該方法要求精 確的光路布置，并且受到目前光電記錄器件分辨率的限制，影響重建圖像的分辨率。
[0005] 同軸相移數(shù)字全息利用相移技術(shù)消除零級像和共輒像的干擾，可充分利用CCD空 間帶寬積，改善再現(xiàn)圖像的質(zhì)量。實現(xiàn)多圖相移干涉的方法主要有多CCD記錄法、平行分隔 法。多CCD記錄法成本較高，對隔振也有嚴(yán)格的要求，并且需要對拍攝的多幅圖像進(jìn)行像素 級位置匹配[7]。平行分隔法將不同相移的圖像投射到CCD靶面的不同空間區(qū)域，這種方法 同樣需要進(jìn)行圖像位置匹配，并且縮小了視場范圍。
[0006] 此外，傳統(tǒng)方法的重構(gòu)算法冗余耗時，而且重建像中含有零級和正負(fù)一級衍射像， 因而分離零級和負(fù)一級共輒像時會導(dǎo)致重建圖像的分辨率降低。傳統(tǒng)四步相移法雖然可以 消除干涉光路中形成的零級斑，但只適合于靜態(tài)物體的數(shù)字全息重建，不能用于活細(xì)胞觀 測 。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于像素偏振片陣列的數(shù) 字全息顯微方法，該方法主要基于像素偏振片陣列相機(jī)。利用封裝了像素偏振片的CCD相機(jī) 記錄測量光路中被測物體的干涉條紋。采集單幀圖像即可實時獲得顯微物體的振幅和相位 信息，并通過計算機(jī)算法反演重構(gòu)出物體的三維形貌。擺脫了傳統(tǒng)離軸數(shù)字全息成像方法 成像中零級和共輒光斑帶來的干擾，避免了大量矯正計算，大幅提高全息圖像的重建效率 和圖像分辨率。此外，相較于傳統(tǒng)同軸全息顯微成像技術(shù)這種方法簡化了裝置結(jié)構(gòu)，無需進(jìn) 行圖像位置的像素尺度匹配，穩(wěn)定性高，可實現(xiàn)實時、高速、動態(tài)顯微測量。
[0008] 本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種基于像素偏振片陣列的數(shù)字全息顯微方法，實現(xiàn)步驟 如下：
[0009] (1)利用微偏振片陣列相機(jī)作為相移偏振光路中的相移器和感光元件來記錄物體 干涉的全息圖；
[0010] (2)從微偏振片陣列相機(jī)記錄采集的全息圖中提取任意四個不同偏振方向的干涉 條紋圖；
[0011] (3)利用線性插值方法將提取的四個偏振方向干涉圖恢復(fù)到原始全息圖的大小， 避免分辨率損失；
[0012] (4)利用四個偏振方向的干涉圖和相移干涉算法計算得到物光的波前振幅圖和相 位圖；
[0013] (5)利用濾波算法對物光的波前振幅和相位進(jìn)行濾波，消除噪聲；
[0014] (6)根據(jù)菲涅耳積分的反演算法，利用物光的波前振幅和相位信息實現(xiàn)對觀測物 體三維形貌的實時顯微重構(gòu)。
[0015] 所述步驟(3)中的利用線性插值方法將提取的四個偏振方向干涉圖恢復(fù)到原始全 息圖的大小的過程如下：
[0016] (1)將四個不同偏振方向?qū)?yīng)的像素點的灰度值提取出來，按照其行列數(shù)位置放 在與原灰度值矩陣大小相等的對應(yīng)賦值矩陣中；
[0017] (2)對賦值矩陣的空單元進(jìn)行線性插值，如果與空單元Iu左右相鄰的單元In,」和 I1+U不為空，則
；如果與空單元Iu上下相鄰的單元不為空，則
如果與空單兀Ii,j相鄰的單兀Ii-i,j，Ii + i,j，Ii,j-i，Ii,j + i都為空，貝1J
[0018] 所述步驟(4)利用四個偏振方向的干涉圖和相移干涉算法計算得到物光波前振幅 和相位圖的過程如下：
[0019] (1)利用像素偏振片陣列在偏振相移干涉裝置中可以同時記錄四幅不同偏振方向 的干涉圖 1(0)，I(V4)，I(V2)，I(3V4);
[0020] (2)根據(jù)相移干涉公式：/=4仏+/,. +2gC〇:# + 2?))計算出全息圖的相位信息圖
認(rèn)及全息的振幅信息圖：
[0021]
[0022] 其中Is，Ir分別表示全息圖的物光強(qiáng)度圖以及參考光的強(qiáng)度圖，α為相移量，即像素 偏振單兀的偏振方向。
[0023] 所述步驟(5)利用濾波算法對全息振幅和相位進(jìn)行濾波的過程如下：
[0024] (1)利用小孔濾波對全息振幅圖進(jìn)行空間濾波，生成濾波后的全息振幅圖A ;
[0025] (2)利用Window Fourier Ridge和Window Fourier Transform等算法，選取適當(dāng) 的高斯窗口參數(shù)以及頻率閾值即可對全息相位圖濾波，將其高頻噪聲消除，最終得到濾波 后的全息相位圖ψ ?.
[0026] 所述步驟(6)根據(jù)菲涅耳積分的反演算法，利用全息振幅圖和相位圖實現(xiàn)對觀測 物體的振幅和相位進(jìn)行實時顯微重構(gòu)的過程如下：
[0027] 根據(jù)得到的濾波后的全息振幅與相位圖和菲涅耳積分的反演算法可以得 到物光的真實相位圖
及真實的振幅信息圖
其中C為傳播距離有關(guān)的參數(shù)，r2表示的是與參考 原點的距離矩陣，F(xiàn)FT表示的是快速傅立葉算法，abs和angle分別表示取模和取幅角運(yùn)算， 尤為顯微物體的重構(gòu)振幅圖像，表示顯微物體的重構(gòu)相位包裹圖像;將像素偏振片陣列 應(yīng)用于顯微干涉光路中，對透明細(xì)胞等的相位型物體以及金屬納米材料的振幅型物體實現(xiàn) 實時三維超景深顯微成像。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0029] (1)本發(fā)明應(yīng)用于相移測量中時，采集一幀圖像即可獲得顯微樣本的光強(qiáng)和相位 信息，因此可用來測量動態(tài)顯微物體的光強(qiáng)和相位信息，既克服了傳統(tǒng)時間相移法不能測 量動態(tài)物體的缺點，又克服了傳統(tǒng)空間相移法需要精確地位置匹配和灰度矯正的缺點。
[0030] (2)本發(fā)明利用計算機(jī)算法來反演物體在不同高度平面的像，可以做到實時還原 測量物體三維形貌。
[0031] (3)本發(fā)明利用計算機(jī)算法來反演不同景深物體所成的像，可以擺脫傳統(tǒng)顯微成 像因為物鏡景深較短造成的散焦問題。
[0032] (4)本發(fā)明由于測量方法基于偏振相移法，所以可以避免圖像重構(gòu)時出現(xiàn)零級和 負(fù)一級斑，提高了全息圖像重建的效率以及分辨率。
[0033] (5)本發(fā)明基于像素的偏振片陣列可以和感光元件(CCD或CMOS)集成到一起，不需 要在具體應(yīng)用時對準(zhǔn)，大大降低了使用繁瑣程度。
[0034] (6)本發(fā)明對抗振要求不高，因此使用范圍更廣。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明方法實現(xiàn)流程圖；
[0036]圖2為像素偏振片陣列示意圖；
[0037] 圖3由單幀圖像拆分為四幅圖像示意圖；
[0038] 圖4單幀圖像差值平均獲得同等分辨率的四幅圖像示意圖；
[0039]圖5實時數(shù)字全息顯微的工作圖；
[0040]圖6實施案例的實驗結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合具體實施例子對本發(fā)明在制備微偏振片陣列上做進(jìn)一步說明，但不限制 本發(fā)明。
[0042] 像素偏振片陣列的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，每個單元的尺寸與所要裝配的感光元 件(CCD或CMOS)的像素尺寸一致，相鄰的每2X2單元構(gòu)成一個子單元，子單元內(nèi)四個單元的 透偏振方向不同，分別為〇^/4,31/2,331/4。像素偏振片陣列需要與感光元件集成在一起使 用，陣列單元與感光元件單元要一一對準(zhǔn)，兩者之間的距離要盡可能小。
[0043]每個子單元內(nèi)的四個像素單元所獲得的光強(qiáng)值并不是相互獨(dú)立的，已知其中三個 像素單元的光強(qiáng)值即可算出另一個像素單元的光強(qiáng)值，因此也可只制作具有三個相位延遲 量的像素偏振片陣列。
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明的方法具體實現(xiàn)如下：
[0045] (1)利用微偏振片陣列相機(jī)作為相移偏振光路中的相移器和感光元件來記錄物體 干涉的全息圖。
[0046] 實驗光路圖如圖5所示。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，照射到偏振分光棱鏡 1上，被分為兩束互相垂直的線偏振光。一束向前透過非偏振分光棱鏡1照射到觀測樣本上， 透過樣本攜帶物光信息。另一束線偏振光分別經(jīng)過偏振分光棱鏡1、物鏡2和非偏振分光棱 鏡2反射成為參考光。物光和參考光于偏振分光棱鏡2處匯合，經(jīng)四分之一波片后分別被調(diào) 制為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，并被集成了像素偏振片陣列的相機(jī)采集。
[0047] (2)從微偏振片陣列相機(jī)記錄采集的全息圖中提取四個偏振方向的干涉圖。
[0048] 將采集的圖片中相同透偏振方向單元像素分別取出，可重新組合為四幅圖片，如 圖3所示。其中圖3中的a為由集成了像素偏振片陣列的相機(jī)拍攝的單幀圖像，將四種透偏振 方向的圖像灰度值取出，重新組合為四幅干涉圖像，如圖3中的b所示，分別代表透偏振方向 為0，Ji/4，V2和3V4時CCD所采集到的圖像，其光強(qiáng)值分別為1(0)，1(31/4)，1(31/2)和1(331/ 4) 〇
[0049] (3)利用線性插值等插值方法將提取的四個偏振方向干涉圖恢復(fù)到原始全息圖的 大小，避免分辨率損失。
[0050] 將四個不同偏振方向?qū)?yīng)的像素點的灰度值提取出來，按照其行列數(shù)位置放在與 原灰度值矩陣大小相等的對應(yīng)賦值矩陣中。對賦值矩陣的空單元進(jìn)行線性插值，如果與空 單元Ii,j左右相鄰的單元Ii-i,j和Ii+i,j不為空，則：
如果與空單元Ii,j上下相 鄰的單元Ii,j-i和Ii,j + i不為空，則
如果與空單元Ii,j相鄰的單元Ii-i,j， 都為空，則
1。依照如上的步驟可以實現(xiàn) 對四個偏振方向干涉的插值填充，避免分辨率降低。
[0051] (4)利用四個偏振方向的干涉圖和相移干涉算法計算得到物光波前振幅和相位 圖。
[0052] 被相機(jī)采集的光強(qiáng)與偏振片單元的偏振角有關(guān)，如下公式所示：
[0053]
(6)
[0054] 其中Is為物光光強(qiáng)，Ir為參考光光強(qiáng)。由于參考光為平行光，因此Φ可視為物光相 位。α為偏振片單元的透偏振角度?？傻茫?br>[0055]
(7)
[0056] (S)
[0057] .(9)
[0058] (10)[0059] 從而物光波前振幅和相位分別為：
[0060]
[0061]
[0062] (5)利用濾波算法對全息振幅和相位進(jìn)行濾波，消除噪聲。
[0063] 利用小孔濾波對全息振幅圖進(jìn)行空間濾波，生成濾波后的全息振幅圖X。利用 Window Fourier Ridge和Window Fourier Transform等算法，選取適當(dāng)?shù)母咚勾翱趨?shù) (本發(fā)明實施例選為10)以及頻率閾值即可對全息相位圖濾波，將其高頻噪聲消除，最終得 到濾波后的全息相位圖
[0064] (6)根據(jù)菲涅耳積分的反演算法，利用全息振幅圖和相位圖實現(xiàn)對觀測物體的振 幅和相位的實時顯微重構(gòu)。
[0065] 利用濾波后的物光波前振幅與相位圖（義，\|/)和衍射積分的反演算法可以得到物 光的真實相位圖
4及真實的振幅信息圖
其中C為傳播距離有關(guān)的參數(shù)，r2表示的是與參考原 點的距離矩陣。FFT表示的是快速傅立葉算法。abs和angle分別表示取模和取幅角運(yùn)算。X： 為顯微物體的重構(gòu)振幅圖像，5：表示顯微物體的重構(gòu)相位包裹圖像。因此，將像素偏振片陣 列應(yīng)用于顯微干涉光路中，可對微小物體進(jìn)行實時三維超景深顯微成像。
[0066]實施案例1.基于上述的發(fā)明技術(shù)原理，以下為具體的實施案例。測量樣本為一個 寫有"光"字的不透明小薄板，"光"字所在區(qū)域是透光的。實驗光路圖如圖5所示。由激光器 發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，照射到偏振分光棱鏡1上，被分為兩束互相垂直的線偏振光。一 束向前透過非偏振分光棱鏡1照射到如圖6(a)的測量樣本上，透過樣本攜帶物光信息。另一 束線偏振光分別經(jīng)過偏振分光棱鏡1、物鏡和非偏振分光棱鏡2反射成為參考光。物光和參 考光于偏振分光棱鏡2處匯合，經(jīng)四分之一波片后分別被調(diào)制為左旋圓偏振光和右旋圓偏 振光，并被集成了像素偏振片陣列的相機(jī)采集。將采集的圖片中相同透偏振方向單元像素 分別取出，可重新組合為四幅圖片，如圖3所示。將四種透偏振方向的圖像灰度值取出，重新 組合為四幅干涉圖像，如圖6中的b所示，分別代表透偏振方向為0，π/4，π/2和3π/4時CCD所 采集到的干涉圖像，其光強(qiáng)值分別為I(〇)，I(V4)，I(V2)和I(3V4)。該方法使得圖像分辨 率降低，也可采用圖三方式，用差值平均方法補(bǔ)充數(shù)據(jù)值，使得圖像分辨率不變。比如，某一 偏振方向（〇3/4,31/2,331/4)的一個空像素如果相鄰兩像素的值不為空則取兩相鄰像素的 均值進(jìn)行填充，如果相鄰的兩像素的值為空，則取以該空像素為中心、大小為3x3的矩陣中 的像素灰度值均值進(jìn)行填充。在得到插值填充后的不同偏振方向干涉圖像后，根據(jù)等式相 移干涉公式(6)-(12)即可實時解算出檢測樣本的物光波前振幅和相位圖像，如圖6中的（c) 和(d)。經(jīng)過濾波處理并利用衍射積分的反演公式（13)和（14)即可重構(gòu)得到物體的真實振 幅和相位信息，實現(xiàn)對物體地實時顯微成像。
[0067]提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本 發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修 改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于像素偏振片陣列的數(shù)字全息顯微方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下： (1) 利用微偏振片陣列相機(jī)作為相移偏振光路中的相移器和感光元件來記錄物體干設(shè) 的全息圖； (2) 從微偏振片陣列相機(jī)記錄采集的全息圖中提取任意四個不同偏振方向的干設(shè)條紋 圖； (3) 利用線性插值方法將提取的四個偏振方向干設(shè)圖恢復(fù)到原始全息圖的大小，避免 分辨率損失； (4) 利用四個偏振方向的干設(shè)圖和相移干設(shè)算法計算得到物光的波前振幅圖和相位 圖； (5) 利用濾波算法對物光的波前振幅和相位進(jìn)行濾波，消除噪聲； (6) 根據(jù)菲涅耳積分的反演算法，利用物光的波前振幅和相位信息實現(xiàn)對觀測物體Ξ 維形貌的實時顯微重構(gòu)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于像素偏振片陣列的數(shù)字全息顯微方法，其特征在于： 所述步驟(3)中的利用線性插值方法將提取的四個偏振方向干設(shè)圖恢復(fù)到原始全息圖的大 小的過程如下： (1) 將四個不同偏振方向?qū)?yīng)的像素點的灰度值提取出來，按照其行列數(shù)位置放在與 原灰度值矩陣大小相等的對應(yīng)賦值矩陣中； (2) 對賦值矩陣的空單元進(jìn)行線性插值，如果與空單元左右相鄰的單元Ii-U和Iw,j 不為空，則如果與空單元Ii,j上下相鄰的單元和+ i不為空，貝U;如果與空單元Ii,油鄰的單元11-1^，11 + 1,^，11^-1，11^ + 1都為空，貝>13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于像素偏振片陣列的數(shù)字全息顯微方法，其特征在于： 所述步驟(4)利用四個偏振方向的干設(shè)圖和相移干設(shè)算法計算得到物光波前振幅和相位圖 的過程如下： (1) 利用像素偏振片陣列在偏振相移干設(shè)裝置中可W同時記錄四幅不同偏振方向的干 設(shè)圖 I(0)，I(V4)，I(V2)，I(3V4); (2) 根據(jù)相移干設(shè)公式：計算出物光波前的相位信息圖^及振幅信息圖：其中Is，Ir分別表示全息圖的物光強(qiáng)度圖W及參考光的強(qiáng)度圖，α為相移量，即像素偏振 單元的偏振方向。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于像素偏振片陣列的數(shù)字全息顯微方法，其特征在于： 所述步驟(5)利用濾波算法對物光波前振幅和相位進(jìn)行濾波的過程如下： (1) 利用小孔濾波對全息振幅圖進(jìn)行空間濾波，生成濾波后的全息振幅圖互； (2) 利用Window Fourier Ridge和Window Fourier Transform等算法[1]，選取適當(dāng)?shù)?高斯窗口參數(shù)W及頻率闊值即可對物光波前相位圖濾波，將其高頻噪聲消除，最終得到濾 波后的物光波前相位圖Ψ。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于像素偏振片陣列的數(shù)字全息顯微方法，其特征在于： 所述步驟(6)根據(jù)衍射積分的反演算法，利用全息振幅圖和相位圖實現(xiàn)對觀測物體的振幅 和相位進(jìn)行實時顯微重構(gòu)的過程如下： 根據(jù)得到的濾波后的全息振幅與相位圖(Α，ψ)和菲涅耳積分的反演算法可W得到物 光的真實相位圖W及真實的振幅信息圖?其中C為傳播距離有關(guān)的參數(shù)，r2表示的是與參考 原點的距離矩陣，F(xiàn)FT表示的是快速傅立葉算法，abs和angle分別表示取模和取幅角運(yùn)算， 1：為顯微物體的重構(gòu)振幅圖像，哀;表示顯微物體的重構(gòu)相位包裹圖像;將像素偏振片陣列 應(yīng)用于顯微干設(shè)光路中，對透明細(xì)胞等的相位型物體W及金屬納米材料的振幅型物體實現(xiàn) 實時Ξ維超景深顯微成像。
【文檔編號】G01B11/24GK105973164SQ201610289036
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】張青川, 張云天, 馬宣, 伍小平
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)