[发明专利]一种基于Hilbert变换的数字全息高精度位相重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字全息显微术领域，尤其涉及一种基于Hilbert变换的数字全息高精度位相重建方法。 

背景技术

数字全息显微术是一种新型的定量成像与可视化测量技术，它实现了光学、光电转换技术、计算机技术的高度融合，是一种全场、非接触、准实时三维成像技术。利用该技术可以获得物体定量的位相信息，并可以灵活地进行存储、传输、滤波、自动聚焦、位相畸变补偿及多视角显示等，上述诸多优点使数字全息显微术获得了广泛的应用。 

数字全息术基于干涉成像技术，因而相对于其它测量技术来说，其位相测量的精度比较高。然而，由于受到散斑及零级衍射噪声的影响，使得基于傅里叶变换的常规重建算法在位相重建中的多个环节受到噪声干扰，一方面降低了位相重建的精度，同时影响了位相重建的速度。为了降低散斑噪声的影响，多种降噪方法和技术被提了出来，其中具有代表性的方法有基于多幅全息图叠加的降噪技术和选用短相干光源降低散斑噪声的技术。然而，第一种方法根本不能用于实时位相成像，第二种方法使得再现像的对比度下降，更为重要的是，这两种方法都没有从根本上解决噪声的影响问题。对于零级衍射项的消除，频域滤波是最常用的方法，但这种方法只适用于离轴数字全息情况，同时还存在噪声滤除不彻底的问题。 

发明内容

本发明的实施例提供一种基于Hilbert变换的数字全息高精度位相重建方法，可以提高位相重建精度。 

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案： 

一种基于Hilbert变换的数字全息高精度位相重建方法，包括： 

利用像面数字全息光路系统对物光场进行全息记录，获得数字全息图； 

对所记录的数字全息图进行傅里叶变换，获得全息图频谱； 

对所述全息图频谱进行滤波，滤除零级谱； 

对滤波后的频谱图进行逆傅里叶变换，得到滤除零级项的全息图； 

对滤除零级项后的全息图作二维Hilbert变换，滤除残余直流项，并得到形状和强度不变、仅发生π/2相移的条纹图像； 

由滤除零级项后的全息图及其Hilbert变换，构造含有物光场和参考光场位相差信息的解析函数； 

对构建的解析函数进行取辐角运算，获得物光场与参考光场位相差值的包裹位相； 

对上述包裹位相进行位相解包裹，获得物光场与参考光场位相差的展开位相； 

在物光场中位相为常数的区域提取位相数据，并进行线性拟合，从而对上述线性位相进行线性位相畸变矫正，获得物光场的位相分布。 

本发明实施例提供的基于Hilbert变换的数字全息高精度位相重建方法，由于Hilbert变换本身具有消除直流项的作用，对频域滤波后的全息图进行Hilbert变换能够进一步消除零级衍射项的影响，因而能够获得更高精度的位相图像。与现有技术中基于傅里叶变换的常规重建算法相比，本发明中对于血细胞的实验中，基于Hilbert变换的位相重建结果的标准偏差降低了14.0％。 

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于Hilbert变换的数字全息高精度位相重建方法的流程示意图； 

图2为本发明实施例提供的一种等曲率物参光像面数字全息记录系统的结构示意图； 

图3为人体血红细胞的实验结果，3(a)为全息图；3(b)为全息图频谱； 

图4为基于常规重建算法获得的位相，4(a)为畸变校正前的包裹位相；4(b)畸变校正后的包裹位相；4(c)为展开位相；4(d)为4(c)的三维显示； 

图5为基于Hilbert变换重建的位相，5(a)滤除0级项后的全息图；5(b)为解析函数的虚部；5(c)为畸变校正前的包裹位相；5(d)为畸变校正后的包裹位相；5(e)的展开位相；5(f)为5(e)的三维显示； 

图6为基于常规重建算法和基于Hilbert变换算法的一个细胞的中心线上的位相分布图； 

图7为海金沙细胞的全息图及频谱，7(a)为全息图；7(b)为全息图频谱； 

图8为常规重建得到的海金沙细胞实验结果，8(a)为展开位相的二维分布；图8(b)为图8(a)的三维显示；图8(c)为除去细胞周围液体影响后的二维位相；图8(d)为图8(c)的三维显示； 

图9为基于Hilbert变换得到的海金沙细胞实验结果，图9(a)展开位相的二维分布；9(b)为图9(a)的三维显示；图9(c)为除去细胞周围液体影响后的二维位相；图9(d)为图(c)的三维显示；