[发明专利]一种基于像素偏振片阵列的数字全息显微方法

摘要

本发明涉及一种基于像素偏振片阵列的数字全息显微方法，利用微偏振片阵列相机作为相移偏振光路中的相移器和感光元件来记录物光和参考光干涉形成的全息图；从微偏振片阵列相机记录采集的全息图中提取四个偏振方向的干涉图；利用线性插值等插值方法将提取的四个偏振方向干涉图恢复到原始全息图的大小，避免分辨率损失；利用四个偏振方向的干涉图和相移干涉算法计算得到物光波前振幅图和相位图；利用滤波算法对物光波前振幅和相位进行滤波，消除噪声；根据衍射积分的反演算法，利用物光波前振幅图和相位图实现对观测物体三维形貌的实时显微重构。

主权项

1.一种基于像素偏振片阵列的数字全息显微方法，其特征在于实现步骤如下：(1)利用微偏振片阵列相机作为相移偏振光路中的相移器和感光元件来记录物体干涉的全息图；(2)从微偏振片阵列相机记录采集的全息图中提取任意四个不同偏振方向的干涉条纹图；(3)利用线性插值方法将提取的四个偏振方向干涉图恢复到原始全息图的大小，避免分辨率损失；(4)利用四个偏振方向的干涉图和相移干涉算法计算得到物光的波前振幅图和相位图；(5)利用滤波算法对物光的波前振幅和相位进行滤波，消除噪声；(6)根据菲涅耳积分的反演算法，利用物光的波前振幅和相位信息实现对观测物体三维形貌的实时显微重构；所述步骤(3)中的利用线性插值方法将提取的四个偏振方向干涉图恢复到原始全息图的大小的过程如下：(11)将四个不同偏振方向对应的像素点的灰度值提取出来，按照其行列数位置放在与原灰度值矩阵大小相等的对应赋值矩阵中；(12)对赋值矩阵的空单元进行线性插值，如果与空单元I_i,j左右相邻的单元I_i‑1,j和I_i+1,j不为空，则如果与空单元I_i,j上下相邻的单元I_i,j‑1和I_i,j+1不为空，则如果与空单元I_i,j相邻的单元I_i‑1,j，I_i+1,j，I_i,j‑1，I_i,j+1都为空，则所述步骤(4)利用四个偏振方向的干涉图和相移干涉算法计算得到物光波前振幅和相位图的过程如下：(21)利用像素偏振片阵列在偏振相移干涉装置中可以同时记录四幅不同偏振方向的干涉图I(0),I(π/4),I(π/2),I(3π/4)；(22)根据相移干涉公式：计算出物光波前的相位信息图以及振幅信息图：其中Is,Ir分别表示全息图的物光强度图以及参考光的强度图，α为相移量，即像素偏振单元的偏振方向；所述步骤(5)利用滤波算法对物光波前振幅和相位进行滤波的过程如下：(31)利用小孔滤波对全息振幅图进行空间滤波，生成滤波后的全息振幅图(32)利用WindowFourierRidge和WindowFourierTransform算法，选取适当的高斯窗口参数以及频率阈值即可对物光波前相位图滤波，将其高频噪声消除，最终得到滤波后的物光波前相位图所述步骤(6)根据衍射积分的反演算法，利用全息振幅图和相位图实现对观测物体的振幅和相位进行实时显微重构的过程如下：根据得到的滤波后的全息振幅与相位图和菲涅耳积分的反演算法可以得到物光的真实相位图以及真实的振幅信息图其中C为传播距离有关的参数，r²表示的是与参考原点的距离矩阵，FFT表示的是快速傅立叶算法，abs和angle分别表示取模和取幅角运算，为显微物体的重构振幅图像，表示显微物体的重构相位包裹图像；将像素偏振片阵列应用于显微干涉光路中，对透明细胞的相位型物体以及金属纳米材料的振幅型物体实现实时三维超景深显微成像。