[发明专利]一种同轴数字全息自动聚焦方法及系统

说明书

本发明公开一种同轴数字全息自动聚焦方法及系统。所述方法包括：获取包含样品的全息图数字矩阵和不包含样品的背景光数字矩阵；全息图数字矩阵与背景光数字矩阵为基于Gabor同轴全息结构采集得到；根据全息图数字矩阵和背景光数字矩阵计算标准化全息图和标准化全息图的幅值；获取自聚焦搜索范围；根据自聚焦搜索范围确定多个重建距离；对于每个重建距离，采用标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图；获取每个全息重建图的重建目标函数值；将重建目标函数值最小的重建距离确定为物体的最佳聚焦位置。本发明可以提高聚焦准确性和健壮性，并有效适用于不同的成像目标类型。

技术领域

本发明涉及数字全息成像领域，特别是涉及一种同轴数字全息自动聚焦方法及系统。

背景技术

数字全息成像包括全息图记录和数值再现两个过程，其中，对于全息数值再现而言，如何获得准确的最佳重建距离对于重建质量至关重要。通常，全息成像自动聚焦方法基于一个判据函数，将该判据函数分别作用于不同重建距离的再现结果，判据值最大或最小位置所对应的重建距离即选定为最佳重建距离。因此，该聚焦判定函数即成为全息重建自动聚焦的关键。

目前，已有多种全息成像聚焦判据函数被提出，包括图像的方差、梯度、自相关、傅里叶谱、信息熵、稀疏性等。然而，大多数聚焦判据仅针对特定类型的目标(相位目标或者强度目标)，且适用的光路结构为离轴全息或者相移同轴全息，这两种全息成像结构均能获得复振幅物光波，再现结果不受共轭像和零级像干扰。相比离轴全息或相移同轴全息结构，Gabor同轴全息结构具有结构紧凑、无透镜、空间带宽积利用率高、实时性好等优点，然而由于全息图采集时相位信息丢失，传统Gabor同轴全息再现像受到共轭像、零级像等干扰，极大的影响成像质量，这使得Gabor同轴数字全息的自动聚焦更具挑战性。

有相关文件是基于重建图像频谱的1范数实现快速的自聚焦，但是其方法针对的纯幅值目标；还有相关文献提出两种基于复振幅图像梯度的稀疏性判据，有效应用于同轴全息结构下的生物样品，但是用于聚焦判据的再现结果不同于最终的相位复原再现结果，共轭像和零级像干扰仍会影响其聚焦准确性，且当实验受到更多噪声(如非均匀照明背景，探测器非均匀响应)等综合因素干扰时，自聚焦准确性会受到进一步影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种同轴数字全息自动聚焦方法及系统，以提高聚焦的准确性和健壮性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种同轴数字全息自动聚焦方法，包括：

获取包含样品的全息图数字矩阵和不包含样品的背景光数字矩阵；所述全息图数字矩阵与所述背景光数字矩阵为基于Gabor同轴全息结构采集得到；

根据所述全息图数字矩阵和所述背景光数字矩阵计算标准化全息图和所述标准化全息图的幅值；

获取自聚焦搜索范围；

根据所述自聚焦搜索范围确定多个重建距离；

对于每个重建距离，采用所述标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图；

获取每个全息重建图的重建目标函数值；

将重建目标函数值最小的重建距离确定为物体的最佳聚焦位置。

可选的，所述根据所述自聚焦搜索范围确定多个重建距离，具体包括：

将所述自聚焦搜索范围进行n等分，得到n个重建距离。

可选的，所述对于每个重建距离，采用所述标准化全息图幅值进行全息重建，得到每个重建距离对应的全息重建图，具体包括：

初始化重建参数；所述重建参数包括物面背景μ、所述标准化全息图的相位分布W、物面上背景为0的样品复振幅分布X、迭代次数N和超参数τ；