[发明专利]一种基于数字全息显微镜的自动离焦校正算法

说明书

本发明公开了一种基于数字全息显微镜的自动离焦校正算法，该方法由样品包裹相位求解，聚焦评价函数计算，离焦距离确定及样品相位恢复四个步骤组成。本发明的自动离焦校正算法通过离焦传播和拉普拉斯算子确定样品的精确离焦距离，保证了成像系统的聚焦稳定性，进而实现高质量的相位重建。在确定离焦距离的过程中采用二分法进行聚焦平面的搜索，加快了搜索速度，从而快速定位高精度的离焦距离。此外，由于手动调整可以使样品更接近聚焦平面，离焦传播搜索范围设置为‑150nm到+150nm就可以得到准确的离焦距离。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于数字全息显微镜的自动离焦校正算法。

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，由于生物细胞具有弱吸收性，其在传统明场显微镜下呈现出很低的对比度。为了使细胞在显微镜下可见，现有手段常采用染色或者荧光标记的方法提高细胞在显微镜下的对比度。然而这种侵入式手段往往会对细胞活性产生影响，甚至可能会损伤甚至杀死细胞。无标记成像技术解决了这一问题。无需任何外源的标记物对细胞进行处理，数字全息术使定量相位显微镜能够用于无标记活细胞成像，在保持细胞活性的情况下实现长时间成像。

数字全息是基于干涉成像的，要求高精度、高稳定的系统来实现可靠的相位重建。对于活体细胞的数字全息长期研究来说，自动、稳健可靠的数值焦点调整尤为重要。然而，激光和复杂的干涉仪往往会在成像系统中引入不理想的像差，从而污染成像结果。最常见的像差就是离轴倾斜和离焦像差。离轴倾斜将在重构结果中叠加一个超低频相位，导致检测结果的不准确；离焦像差会使成像分辨率失真，导致高分辨率的细节无法正确分辨。为了补偿像差，我们发明了一种基于数字全息显微镜的自动离焦校正算法。数字全息术允许通过物波的数值传播对从单个捕获的全息图中获得的图像进行随后的焦点调整。自动离焦校正算法使我们能够自动评价具有最佳聚焦成像条件的数字全息数据。此外，数字重聚焦还可以抑制数字全息相位对比度图像展开过程中的误差，这是在活体细胞成像中进一步定量相位重建的重要前提。

发明内容

本发明的目的在于，实现高质量的相位重建，以补偿像差，避免实验仪器给成像系统引入像差，导致检测结果不准确以及成像分辨率失真等问题，提供一种基于数字全息显微镜的自动离焦校正算法。

本发明的技术方案如下：一种基于数字全息显微镜的自动离焦校正算法，步骤如下：

步骤一，样品包裹相位求解：手动调节样品的焦点位置，采集当前位置下的样品干涉全息图并记为I_h(x,y)，基于离轴全息系统，样品频谱会自动分为三项，用带通滤波器提取出+1级光谱，对其进行傅里叶逆变换，从而获得样品的包裹相位分布∅_ω(x,y)；

步骤二，聚焦评价函数计算：对包裹的复振幅分布进行角谱传播z，再根据拉普拉斯算子，计算每个像素在水平和垂直两个方向相位分布中的二维差分，得到样品相位分布的二维差分矩阵，将两个方向上的二维差分矩阵求和，得到相位分布的整体评价矩阵，最后求解得到z平面上的均方根误差；

步骤三，离焦距离确定：采用二分法计算-150nm到+150nm范围的平面内的均方根误差直至找到具有最大均方根误差的平面，即定义的聚焦面，此时的z被认为是精确的离焦距离；

步骤四，样品相位恢复：将精确的离焦量带入样品的复振幅进行角谱传播，得到聚焦面的角谱A(f_x,f_y,z)，再通过逆傅里叶变换获得清晰的样品复振幅分布U(x,y,z)，从而得到离焦校正后样品的相位分布。