[发明专利]一种基于频谱亚像素平移的倾斜像差校正补偿方法

说明书

本发明公开了一种基于频谱亚像素平移的倾斜像差校正补偿方法，首先利用相机拍摄得到全息图像，再对全息图进行傅里叶变换得到频域内该全息图的频谱图，然后提取出+1级频谱，去除其余频谱，并求取+1级谱中心点，再将+1级谱平移到频谱的中央，即将落在亚像素级上+1级谱真正的中心点平移到频谱中央，根据傅里叶变换的性质，对+1级谱进行亚像素平移的操作亦可以转换成在空域内进行相移来实现。本发明通过手动调节来对频谱进行亚像素平移，解决了由于频谱中心点不在整像素上，导致的在将+1级谱平移到频谱中央时引入的倾斜像差问题，并能实时对相位的倾斜相差进行调整。

技术领域

本发明属于光学成像校正技术，特别是针对数字全息显微成像中由于频谱中心点不在整像素点上引入的倾斜相差进行校正补偿。

背景技术

数字全息作为一种新型相干测量与成像技术，其最大的优势就是在于能够同时独立地获取物体的定量振幅信息和相位信息。尤其是当对生物细胞这些几乎透明的物体进行定量检测时，相位信息显得更为重要。然而，想要准确地获得物体的相位像，就必须要对再现像中的存在的相位畸变进行校正，这就需要知道实验中的各个参数，如记录距离、物参夹角、显微物镜的放大倍率等参数。同时，相位畸变校正对记录参数的精度要求非常高。但是，现实中实际的测量值往往与理论值都会有所偏差，这就会导致再现像的相位分布发生相位畸变，从而无法准确获得物体的相位信息。因此，近几年相位畸变校正已经成为国内外研究者的关注热点。其中，由于全息图频谱平移时，频谱中心点往往不是正好落在整像素点上，求到的中心点并非真正中心点，所以由频谱整像素平移所带来的倾斜相差成为了全息成像中最常见的相位畸变，如何对该倾斜像差进行快速补偿就成为了一个急需解决的问题。

近几年相位畸变校正按实现方法分类，可分为两类：一类是通过硬件方法来实现，即在实验记录中通过设计相应的系统光路来消除相位畸变，比如较为典型的是意大利研究组P.Ferraro等人提出的两步曝光法([1]P.Ferraro,et al.“Compensation of theInherent Wave Front Curvature in Digital Holographic Coherent Microscopy forQuantitative Phase-contrast Imaging”.Appl.Opt.2003,42(11):1938～1946)，这种方法的思路是分别拍摄有样品时和无样品时的两幅全息图再用其进行相位相减，这样就可以一次性去掉所有畸变。然而，这个方法需要记录两幅全息图，对系统稳定性要求比较高。另外，美国的M.K.Kim研究组提出了一种物理补偿的方法([2]M.K.Kim.“ApplicationsofDigital Holography in Biomedical Microscopy”.J.Opt.Soc.Korea.2010,14(2):77～89)，在参考光路适当位置放置一个与物光路相同的显微物镜，即使球面参考光的曲率与物光的曲率相同，这种方法可以在直接在实验记录中消除二次相位畸变，但是，这种方法要求在实验中精确调整参考光路中的显微物镜位置，这在实验中是很难实现的。另一类相位畸变校正的方法是通过软件方法来实现的，即在计算机中，通过数值再现来进行畸变校正。瑞士研究组T.Colomb等人提出了三种消除相位畸变的方法([3]T.Colomb,et al.“Numerical Parametric Lens for Shifting,Magnification,and Complete AberrationCompensation in Digital Holographic Microscopy”.J.Opt.Soc.Am.A.2006,23(12):3177～3190)：第一种方法是自动相位掩膜法，通过多次曲线拟合法来自动确定重建参数来校正相位畸变；第二种方法提出利用参考共轭全息图来校正相位畸变；第三种方法则是选取再现视场中无物体的平坦区域，通过泽尼克多项式拟合畸变相位来校正。在国内，西北工业大学的赵建林等人提出了基于最小二乘曲面拟合法([4]J.L.Di,et al.“PhaseAberration Compensation of Digital Holographic Microscopy based on LeastSquares Surface Fitting”.Opt.Commun..2009,(282):3873～3877)，该方法只需一幅全息图，便能消除相位畸变。但是上述通过后期计算进行相位畸变补偿的方法大多运算量大，不论是泽尼克多项式拟合还是最小二乘曲面拟合等拟合方法的计算时间都随拍摄得到的全息图尺寸大小的增大而急剧增大。虽然上述方法也能实现对倾斜像差的校正，但是硬件类方法对硬件稳定性要求甚高，难以实现。而软件类的方法多采用拟合的方法来消除倾斜像差，其灵活性低且运算量大。所以，现如今，针对由频谱整像素平移带来的全息成像中的倾斜像差，至今仍然缺少一个自适应、高精度、高效率的实时校正补偿方法。因此，如何精度又高、速度又快地实时补偿相位中由于频谱整像素平移引入的背景倾斜相差成为了一个急需解决的难题。