[发明专利]基于移位和多项式拟合的全息像差绝对校准方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于移位和多项式拟合的全息像差绝对校准方法及系统，属于光学测量领域，包括：采集第一幅全息图后正交移动样品两次并分别捕获得到三幅全息图；对全息图相位调解得到三个原始相位结果；对结果进行坐标变换，使得变换后的测试物体相位一致；差分计算得到系统像差相位在两次位移前后的相位差分数据；计算切比雪夫多项式系数进而计算出系统像差相位；对得到的包含像差的原始相位结果减去系统像差相位，得到测试物体相位。本发明可以有效地保护物体相的中高频信息，且对光路设置要求低，只需要增添一个额外的三轴位移平台就可以对任意传统的数字全息显微镜成像系统进行系统像差补偿。

技术领域

本发明涉及一种基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法及系统，属于光学测量技术领域。

背景技术

数字全息显微镜是一种非破坏性，无标记和干涉定量相位对比技术，在生物学，神经科学，纳米粒子跟踪，微流体和计量学等许多领域产生巨大影响。与其他传统干涉系统一样，数字全息显微系统也存在系统相位畸变，主要由显微镜物镜和其他光学元件本身的像差和系统装调误差引入。通常，系统相位像差叠加在样本相位信息上，需要对其进行补偿。

最近，已经提出了许多物理和数值方法来补偿或校准系统相位畸变。使用远心配置或可调透镜可以将相位像差引入参考光束，这将部分地补偿低阶相位像差。双曝光方法需要在第二次曝光中从参考光束中移除样本，并且可以精确地补偿总像差。物理补偿方法理论上可以很好地补偿像差，但在实际应用中，由于对光路准确性和稳定性要求极高，往往受限于器件之间的误差，装调误差而得不到理想结果。在数值补偿方法中，系统相位像差由球函数，抛物线函数和Zernike多项式描述。最小二乘拟合法和主成分分析法可用于获取标准多项式的低阶参数。在拟合方法中，需要在最小二乘拟合之前选择无标本区域，并且在近期文献中提出了利用深度学习技术来选择无标本区域。相位像差也可以在非线性优化过程中提取，其中样本的相位变化作为优化对象。数值补偿本身是一种近似方法，往往对于光路没有太高的要求。使用的计算函数、算法不同，方法本身的误差也不一样，其适用情况，即方法能够消除的像差种类和方法使用的前提条件也不一样，甚至有的方法本身还会损失信息，比如利用背景拟合的方法要求背景占的比重远大于测试样品，使用滤波的方式实现补偿的方法会不可避免地损失目标物体信息等。

在光学表面测量中，广泛使用的Fizeau和Twyman-Green干涉仪使用普通质量参考表面(λ/20Peak to Valley)作为测试标准，为了获得亚纳米级的度量，绝对测试技术是校准参考表面偏差的最重要技术之一。已经提出了几种用于光学表面测量的绝对测试方法，例如双球方法，随机球平均方法和移位-旋转方法。在移位-旋转绝对测试方法中，测量过程中参考表面的位置不变，测试表面在移位和旋转位置进行测试。基于移位和旋转位置的测量数据，可以提取测试表面的偏差。移位-旋转绝对测试方法中参考表面偏差的校准过程为我们提供了一种新的数字全息显微镜绝对校准可能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于顺序移位和切比雪夫多项式拟合的数字全息显微镜像差绝对校准方法及系统，可以有效地保护物体相的中高频信息，即使对于非常复杂的像差，也可以消除各种低阶和高阶像差。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于移位和多项式拟合的全息像差绝对校准方法，包括以下步骤：

(1)采集全息图，在采集第一幅全息图后，通过在光轴的垂直平面上正交地移动样品两次并分别捕获其全息图，得到包含测试物体相位和系统像差相位的三幅全息图；系统像差包括由离轴全息的离轴角引起的倾斜像差，以及由参考光和物光经过的光学元件如显微物镜等不完全一致导致引入的其它像差，包括：离焦，球差，像散等低阶和高阶像差；