高精度定量相位显微成像方法研究

定量相位显微成像在工业检测、生物医学和光场调控等领域具有重要的应用价值。常用的定量相位显微成像技术通过干涉的方法来获取相位的定量分布,干涉装置的稳定性、光学衍射极限的限制、相位再现时的解包裹问题、激光照明下的相干噪声,以及动态观测过程中的样品离焦等因素都会影响定量相位显微成像的分辨率和精度。本文围绕高精度定量相位显微成像中的上述关键问题展开研究,通过构建物参共路的同步相移数字全息显微结构实现稳定的实时测量;采用结构光照明的超分辨相位成像方法实现对微小物体的超分辨相位成像;利用双波长照明将纵向无包裹相位测量范围扩大到微米量级;使用低相干LED照明解决相干噪声问题;提出了基于结构光照明和双波长照明的数字全息显微自动调焦方法,可以满足对不同类型样品的长时间跟踪观测。     

基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像

提出了一种基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像方法,由干涉光谱计算样品相邻两点的相位差,得到样品表面相位差分图,经过积分,重建样品表面形貌的定量分布.当相邻两点相位差的绝对值小于π,不产生相位包裹,避免了目前的干涉法相位解包裹存在的问题,将干涉法相邻两点相位差绝对值的限制条件由目前的π扩大到2π,提高了干涉法表面形貌成像的适用范围.参考面和样品置于同一平台之上,消除环境干扰及系统振动的影响,噪声幅度小于0.3 nm.通过对光学分辨率片及表面粗糙度标准样板的表面形貌成像,对本方法进行了验证,系统的轴向分辨率优于1 nm.     

基于分数阶螺旋相位片的定量相位显微成像

螺旋相衬显微术利用螺旋相位滤波器实现了样品振幅和相位的定量测量, 可被广泛应用于生物医学成像、工业检测等领域. 然而, 传统的螺旋相衬显微术需要通过三步相移法进行相位恢复, 图像采集和处理过程相对复杂, 时间分辨率较低. 为了提升其特性, 本文提出了一种基于分数阶螺旋相位片的定量相位成像方法和系统, 通过一幅经分数阶螺...     

双波长数字全息相位解包裹方法研究

使用两个不同的波长分别记录数字全息图,分别由数值再现得到每个波长对应的包裹相位图,再求得两者的相位差得到等效波长的相位图,通过此双波长相位解包裹方法得到连续的相位分布以消除相位包裹。通过数值模拟研究了双波长相位解包裹方法,搭建了双波长数字全息实验系统,并利用660nm和671nm两个波长的激光对标准石英平片和平凹透镜进行了相衬成像。通过双波长相位解包裹方法得到了连续的相位分布,实验结果与数值模拟结果具有较好的一致性,证明了双波长相位解包裹方法的有效性。     

一种针对含噪声相位的完全相位解包裹算法撤回

干涉测量中,环境和成像系统热噪声以及不均匀的被测表面反射率均会使测量相位分布不一致,以留数点的形式出现在相位包裹图中。在此情况下,获得完整真实、高精度的被测表面相位解包裹结果就成为亟需解决的难题。不同于传统方法利用枝切连接留数点,隔离噪声干扰区域;或以丢失细节信息为代价,采用最小范数类方法的解包裹方案,首次将和谐均值这一数论概念应用在相位解包裹中。方法利用其具有剔除粗大误差的特殊性质,类比环绕留数点的四邻域相位点为待计算和谐均值数据,直接检测噪声干扰点,得到全局相位解包裹结果。最后利用强噪声干扰下,复杂表面的计算机模拟实验,通过定量定性分析,对其结果精度,运算效率,简单易执行的优点进行了有效验证。     

基于波面分割及多平面相位恢复的定量相位成像技术

提出了一种基于微透镜阵列分割波前及多平面相位恢复的定量相位成像技术。针对大动态范围的相位物体实现定量相位成像,该技术同时施加了横向波面分割、轴向多衍射平面和多波长照明三种约束。该技术记录了两种不同波长照明下,微透镜阵列焦面附近不同衍射距离的强度分布图,采用多平面相位恢复算法提取透过相位物体的数字复振幅光场,通过双波长数字复振幅光场相位提取算法,实现了大动态范围下的相位物体成像。数字仿真实验中,在640 nm和685 nm的照明下,对相位变化范围大、结构复杂的相位物体进行了模拟仿真,结果表明,该技术可以高效、便捷地实现高精度相位成像。     

联合谱域与深度域光谱相位显微方法

提出了一种联合谱域与深度域光谱相位显微方法, 该方法利用谱域相位信息克服2π歧义, 并结合深度域相位信息, 以实现高动态范围、高灵敏度的相位检测. 首先通过理论推导和信号模拟, 进行了深度域相位和谱域相位的灵敏度比较, 证明了深度域相位在灵敏度上要高于谱域相位. 进而详细介绍了联合谱域与深度域光谱相位显微方法. 最后通过盖玻片和光学分辨率板实验验证了所提出的联合谱域 与深度域光谱相位显微方法能够在实现高动态测量范围的同时保持高相位灵敏度. 关键词： 光谱相位显微方法 动态范围 灵敏度     

基于多频外差原理的相位解包裹方法

根据多频外差原理推导了三频光栅条纹解包裹的过程,获取了光栅条纹的绝对相位值。同时,为了减小误差,提高测量精度,提出了一种相位修正的方法,比较了相位修正前后的相位图,表明该方法能够非常有效地去除相位误差。通过将修正后的绝对相位值作为匹配的一个特征量,利用机器视觉中双目立体视觉的方法求取物体的三维特征。实验证实了该方法的可行性,并得到良好的测量结果。     

用于三维测量的快速相位解包裹算法

减少条纹投影轮廓术的条纹图数量一直是本领域的研究热点。传统的时间相位解包裹算法,一般需要额外的条纹信息来确定条纹级次,导致条纹图数量过多。提出一种用于三维测量的快速相位解包裹算法,只需要N步标准相移正弦条纹图,就可以完成绝对相位的计算。首先,利用标准相移算法计算包裹相位和消除背景的掩膜;然后,直接利用包裹相位和掩膜,根据连通域标记算法计算条纹级次,进而求得绝对相位。该方法最少只需3幅条纹图,就可以完成三维测量,数据处理速度快。计算机仿真和实验结果验证了该方法的有效性和鲁棒性。     

基于离焦型夏克-哈特曼传感器的定量相位成像技术

提出了一种基于离焦型夏克-哈特曼传感器的定量相位成像技术.该技术利用离焦型夏克-哈特曼波前传感器记录两种不同波长的光的照射下的强度分布图,采用双波长相位恢复算法进行相位恢复,获得了透过相位物体的数字光场,实现了纯相位物体成像.数值模拟结果表明该定量相位成像技术方法简单、精度高、收敛速度快,是一种非常具有潜力的定量相位成...     

基于掩膜和最小二乘迭代的相位解包裹方法

由于噪声、阴影、条纹断裂及欠采样等因素的影响,完成相位解包裹是一个困难的问题。最小二乘法能够提供平滑解,但无法限制噪声的传播,特别是其平滑作用,容易导致误差。另一方面,注意到最小二乘相位解包裹算法对空洞是有填充作用的———空洞中填充了向原始相位靠近的数值,为此提出了引入一个二值化掩膜,并将最小二乘相位解包裹算法多次迭代的解相方法,以求加强最小二乘法对空洞的填充作用,同时又保证其它地方不因多次迭代使误差放大,从而获得更好的解包裹结果。通过模拟计算和两个实验的检验表明,使用该方法得到的相位已经很接近实验值,此方法比不使用掩膜和迭代的最小二乘解包裹算法有更好的结果。     

改进最小费用流相位解包裹算法

在不同解包裹算法中,最小费用流(MCF)解包裹法可以限制残差点误差远程扩散,并将误差优先限制在低相干区域,有利于保证高相干区域解包裹结果不受干扰,精度较高,但残差点数量较多时计算效率很低.为缩短解包裹时间,提出一种残差点预处理方法.该方法将残差点视作正负电荷,通过电场力,引导距离较近的异号残差点互相抵消,大幅减少残差点...     

基于双频投影条纹的全自动相位解包裹方法

为了在相位轮廓测量术中更简便可靠地获取待测面的相位场,提出了一种利用双频投影条纹的叠栅特性进行全自动相位解包裹的方法。该方法通过分析双频投影条纹的条纹级数之间及相位之间的关系,推导了一套利用该双频条纹的相位主值获取真实相位场的公式。在利用这套公式进行解包裹时,各点的相位求取都是单独进行的,因此不会出现误差传递的现象;同时求解的相位场保持了相移法求解的相位精度。实验证实了该方法的可行性,并得到很好的测量结果。     

结构光照明相位/荧光双模式显微技术

本文提出了一种基于结构光照明的高分辨相位/荧光双模式显微成像方法.该方法利用一数字微镜阵列(DMD)产生条纹结构光,并记录样品在结构光照明下的全息图像和荧光图像,最终可以重建出样品的定量相位图像和超分辨荧光图像.此外,还提出了一种补偿环境扰动对相位成像影响的数值方法,提高了成像系统的抗干扰能力.在该双模式成像系统中,定量相位成像和荧光成像的空间分辨率分别为840 nm和440 nm,为同一样品提供互补信息.该方法有望被广泛应用于生物医学、工业和化学等诸多领域.     

基于几何约束的自适应相位解包裹算法

提出一种通过相机和投影仪的空间几何约束来展开相位包裹的方法,只需要对结构光投影测量系统进行标定,不需要进行传统的时间或空间相位展开.通过投影单周期条纹得到物体的大致高度信息以确定虚拟深度平面,在虚拟平面z0min处,根据结构光系统的标定参数创建最小绝对相位图,物体的包裹相位逐像素与进行比较,即确定条纹级数,实现相位解包裹.该方法具有良好的鲁棒性,对硬件要求低,采集图像少并且不需要额外的物体来获得z0min,能够实现自适应动态测量.实验结果表明,在同等条件下,与传统时间相位展开方法相比,该方法的相对误差降低了14.33%,同时简化了测量方法,能够有效实现物体的三维形貌测量.     

基于快速傅里叶变换的四种相位解包裹算法

为了快速准确地对含有噪声的包裹相位图进行相位展开,采用理论分析与计算机模拟及实验验证相结合的方法,对基于快速傅里叶变换（FFT）的四种典型算法四次FFT算法(4-FFT)、二次FFT算法（2-FFT）、四次离散余弦变换算法(4-DCT)及横向剪切干涉与FFT相结合的算法(LS-FFT)作了对比研究。结果表明：2-FFT算法运行速度最快,4-FFT算法次之,LS-FFT算法速度最慢;4-FFT算法对含有较强噪声和轻微欠采样的实验数据的处理效果是最好的;LS-FFT算法对强噪声数据的处理效果最差。     

基于快速傅里叶变换的四种相位解包裹算法

为了快速准确地对含有噪声的包裹相位图进行相位展开,采用理论分析与计算机模拟及实验验证相结合的方法,对基于快速傅里叶变换（FFT）的四种典型算法四次FFT算法(4-FFT)、二次FFT算法（2-FFT）、四次离散余弦变换算法(4-DCT)及横向剪切干涉与FFT相结合的算法(LS-FFT)作了对比研究。结果表明:2-FFT算法运行速度最快,4-FFT算法次之,LS-FFT算法速度最慢;4-FFT算法对含有较强噪声和轻微欠采样的实验数据的处理效果是最好的;LS-FFT算法对强噪声数据的处理效果最差。     

欠采样干涉图最小二乘相位解包裹算法改进

数字全息的再现光场相位一般具有较高的空间变化频率,而目前CCD、CMOS的空间带宽积还很有限,容易产生欠采样并导致包裹相位中有大量不可靠数据点存在,给最小二乘相位解包裹带来困难.本文将剪切干涉原理引入到数字全息再现光场的重构中,通过改变再现光场相位梯度的计算方法减少欠采样的影响,对现有的最小二乘相位解包裹算法进行了改进...     

结构光测量中快速相位解包裹算法的讨论

对Schofield等提出的快速傅里叶变换（采用4次傅里叶变换和4次逆傅里叶）解包裹算法和Volkov等提出的相位重建算法（仅采用两次傅里叶变换和一次逆傅里叶变换）进行了讨论,提出基于离散余弦变换的快速相位解包裹算法.指出前两种算法在处理一般带噪音的模拟相位图时具有明显的优势,其处理结果非常接近理想值,而在处理相位变化剧烈或不连续区域的实验相位图（采用四步相移法测量雕刻佛像的三维面形）时出现较大误差,甚至无法处理,而基于离散余弦变换算法能很好的解决这个问题,并且拥有比前两种算法更快的运算速度.在实际应用中,针对不同的相位图把Schofield所提出的算法与基于离散余弦变换的算法结合起来,可以解决大部分相位解包裹问题.