[發明專利]基于移位和多項式擬合的全息像差絕對校準方法及系統

有效

• 申請號: 201910414807.2
• 申請日: 2019-05-17
• 公開（公告）號: CN110017776B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 劉振華;何偉林;楊忠明;劉兆軍
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 趙龍群

本發明涉及一種基于移位和多項式擬合的全息像差絕對校準方法及系統，屬于光學測量領域，包括：采集第一幅全息圖后正交移動樣品兩次并分別捕獲得到三幅全息圖；對全息圖相位調解得到三個原始相位結果；對結果進行坐標變換，使得變換后的測試物體相位一致；差分計算得到系統像差相位在兩次位移前后的相位差分數據；計算切比雪夫多項式系數進而計算出系統像差相位；對得到的包含像差的原始相位結果減去系統像差相位，得到測試物體相位。本發明可以有效地保護物體相的中高頻信息，且對光路設置要求低，只需要增添一個額外的三軸位移平臺就可以對任意傳統的數字全息顯微鏡成像系統進行系統像差補償。

技術領域

本發明涉及一種基于順序移位和切比雪夫多項式擬合的數字全息顯微鏡像差絕對校準方法及系統，屬于光學測量技術領域。

背景技術

數字全息顯微鏡是一種非破壞性，無標記和干涉定量相位對比技術，在生物學，神經科學，納米粒子跟蹤，微流體和計量學等許多領域產生巨大影響。與其他傳統干涉系統一樣，數字全息顯微系統也存在系統相位畸變，主要由顯微鏡物鏡和其他光學元件本身的像差和系統裝調誤差引入。通常，系統相位像差疊加在樣本相位信息上，需要對其進行補償。

最近，已經提出了許多物理和數值方法來補償或校準系統相位畸變。使用遠心配置或可調透鏡可以將相位像差引入參考光束，這將部分地補償低階相位像差。雙曝光方法需要在第二次曝光中從參考光束中移除樣本，并且可以精確地補償總像差。物理補償方法理論上可以很好地補償像差，但在實際應用中，由于對光路準確性和穩定性要求極高，往往受限于器件之間的誤差，裝調誤差而得不到理想結果。在數值補償方法中，系統相位像差由球函數，拋物線函數和Zernike多項式描述。最小二乘擬合法和主成分分析法可用于獲取標準多項式的低階參數。在擬合方法中，需要在最小二乘擬合之前選擇無標本區域，并且在近期文獻中提出了利用深度學習技術來選擇無標本區域。相位像差也可以在非線性優化過程中提取，其中樣本的相位變化作為優化對象。數值補償本身是一種近似方法，往往對于光路沒有太高的要求。使用的計算函數、算法不同，方法本身的誤差也不一樣，其適用情況，即方法能夠消除的像差種類和方法使用的前提條件也不一樣，甚至有的方法本身還會損失信息，比如利用背景擬合的方法要求背景占的比重遠大于測試樣品，使用濾波的方式實現補償的方法會不可避免地損失目標物體信息等。

在光學表面測量中，廣泛使用的Fizeau和Twyman-Green干涉儀使用普通質量參考表面(λ/20Peak to Valley)作為測試標準，為了獲得亞納米級的度量，絕對測試技術是校準參考表面偏差的最重要技術之一。已經提出了幾種用于光學表面測量的絕對測試方法，例如雙球方法，隨機球平均方法和移位-旋轉方法。在移位-旋轉絕對測試方法中，測量過程中參考表面的位置不變，測試表面在移位和旋轉位置進行測試。基于移位和旋轉位置的測量數據，可以提取測試表面的偏差。移位-旋轉絕對測試方法中參考表面偏差的校準過程為我們提供了一種新的數字全息顯微鏡絕對校準可能。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種基于順序移位和切比雪夫多項式擬合的數字全息顯微鏡像差絕對校準方法及系統，可以有效地保護物體相的中高頻信息，即使對于非常復雜的像差，也可以消除各種低階和高階像差。

本發明采用以下技術方案：

一方面，本發明提供一種基于移位和多項式擬合的全息像差絕對校準方法，包括以下步驟：

(1)采集全息圖，在采集第一幅全息圖后，通過在光軸的垂直平面上正交地移動樣品兩次并分別捕獲其全息圖，得到包含測試物體相位和系統像差相位的三幅全息圖；系統像差包括由離軸全息的離軸角引起的傾斜像差，以及由參考光和物光經過的光學元件如顯微物鏡等不完全一致導致引入的其它像差，包括：離焦，球差，像散等低階和高階像差；