[发明专利]一种数字全息频谱中心亚像素搜索方法

说明书

本发明公开了一种数字全息频谱中心亚像素搜索方法，该方法主要由频谱图采集、+1级频谱筛选、频谱低通滤波、二维曲面拟合、相位恢复及亚像素位移相位校准共五个步骤。本发明针对数字全息显微成像系统，基于二维曲面拟合的方法将离散的频谱矩阵连续化得到精确到亚像素的频谱正中心，并采用高斯函数频谱滤波降噪提高了数字全息的相位恢复效果和精度，对数字全息的高精度，高实时性的无标记观测起到十分重要的作用。

技术领域

本发明涉及定量相位成像与光学显微成像，特别的是针对数字全息显微成像提出的一种数字全息频谱中心亚像素搜索方法。

背景技术

在生物学、生物医学和病理学研究领域，在细胞和亚细胞水平的细胞三维结构的定量分析是非常必要的。然而目前的光学显微成像系统大多数只能通过染色对二维的平面进行成像且无法对其进行测量，即使有个别大型显微成像设备可以实现对观测物的三维重构，但由于其耗时较长无法对观测物进行实时的动态三维测量。同时通过荧光标记的侵入式手段往往会对细胞的活性造成影响，甚至可能会杀死细胞。无标记成像技术解决了这一个问题，比如微分干涉相衬技术（DIC）。无需任何外源的标记物对细胞进行处理，可以在保持细胞活性的情况下实现长时间成像。微分干涉显微镜通过石英Nomarski棱镜使透过样品的偏振光产生干涉，将样品的相位差异转换为可以观察到的强度差。这种方法虽然可以观察显微结构但也只是一个可视化的观察结果，无法定量测量。

数字全息（Digital Holography）显微成像将定量相位成像和光学显微技术相结合，以其高速、无损、高分辨率的成像特点对微观物体实现实时的三维形貌、透明物体厚度/折射率分布测量。同时在微光学测试方面，数字全息技术在测量具有非常紧凑和简单几何形状的小型镜头结构同样具有很大的优势。虽然近年来国内外研究人员提出了许多定量相位成像方法，比如光强传输方程（Transport-of-intensity equation, TIE），差分相衬成像（Differential phase contrast, DPC），傅里叶叠层成像（Fourier ptychographicimaging, FPI）等。在诸多方法中数字全息定量相位显微成像采用相干成像的原理，并采用数字的方法实现相位恢复和三维重构，具有更好的成像效率、重建精度和稳定性，成为细胞研究的极具前景的方法之一。

但由于数字全息定量相位恢复的高精度要求，相位恢复的精度和对相位像差的矫正是十分必要的。因此本发明一种数字全息频谱中心亚像素搜索方法。可以不以牺牲运算速度为代价的情况下提升相位恢复精度和成像质量。整数频谱中心进行相位恢复的普通方案下会产生相位面的倾斜，这是由于去一阶像差不彻底导致的，通过曲面拟合的亚像素频谱中心寻址得到更为精确的谱中心，但因其精度为亚像素需要通过亚像素位移对倾斜的相位面进行矫正，获得更好的定量相位恢复结果和成像质量。

发明内容

为了提高数字全息定量相位成像的成像质量，来解决数字全息的定量相位成像的成像质量和测量精度问题，实现实时动态、高分辨率、高稳定性的数字全息相位成像，本发明提出了一种数字全息频谱中心亚像素搜索方法。

本发明的技术方案如下：一种数字全息频谱中心亚像素搜索方法，频谱中心高精度寻址过程如下：

步骤一，频谱图采集：利用马赫-曾德尔干涉法采集待测样品的干涉条纹图，通过快速傅里叶变换得到对应的频谱图；

步骤二，+1级频谱筛选：根据物镜的数值孔径和照明光波长计算得到+1级频谱带宽，根据谱宽生成二维矩形窗函数实现对频谱的带通滤波，得到频谱图中载有样品信息的+1级谱；

步骤三，频谱低通滤波：将步骤二得到的+1级频谱利用二维高斯窗函数进行低通滤波，滤掉部分高频成分来降低噪声的影响；

步骤四，二维曲面拟合：通过曲面拟合方法，将经过低通滤波后的+1级离散二维频谱矩阵拟合为连续的二维曲面函数，根据得到的二维曲面函数，利用微分方法求得频谱区域极大值点位置，该位置即为精确到亚像素的频谱中心；