基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测装置和方法

本发明属于光学成像，涉及一种基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测装置和方法。

背景技术：

1、基于复振幅重建的定量相位显微成像技术得益于其无标记、非侵入的特性，可对反射式样本进行高精度、高灵敏度的定量相位成像(quantitative phase imaging,qpi)。qpi技术弥补了传统光学显微镜高度依赖于强度而无法获取样本相位信息的缺陷，且无需借助复杂的光路结构，具有重要的研究价值和应用潜力。具体而言，在精密加工制造领域，微型器件面型和结构的高精度qpi可作为缺陷检测和质量评估的重要手段。

2、在现有的qpi技术中，白光衍射相位成像（white-light diffraction phasemicroscopy,wdpm）是一种基于光栅衍射的定量相位显微成像技术,可以精确地获取样品的高分辨率相位信息。白光衍射相位成像系统采用白光作为照明光源,其相干长度较短,可以很好地避免光源带来的相干噪声,具有更高的时空灵敏度。作为一种非侵入、无标记的成像手段，wdpm已在生物医学研究（如活细胞动态行为观测）和精密加工制造等领域得到了广泛应用。

3、然而,白光衍射数字全息中空间滤波器的难以实现物光波高频信息的完全滤除，使得所成相位图不可避免地会遭受光晕效应的影响。目前解决光晕效应影响的方法主要有两大类：一类是提高照明光源的空间相干性，一般通过减小照明光源的数值孔径来实现，但会造成光通量降低，导致曝光时间增加，不利于实现动态测量；另一类方法是数值图像处理，例如迭代数值重建方法——在建立部分相干相位成像物理模型的基础上，结合硬件系统参数，采用最小二乘迭代算法，可以较好地消除光晕效应，但是算法复杂度高且强烈依赖于系统硬件参数（如处理器、内存、存储速度等）。

4、基于光强传输方程（transport of intensity equation,tie）的相位成像方法，因采用部分相干或非相干照明而抑制了相干噪声的影响,同时tie作为一种典型的非干涉、无标记qpi方法，能够提升成像质量，减少噪声干扰，增强成像的稳定性与可靠性。该技术不仅在提高成像精度和实时性方面具有显著优势，而且在精密加工制造相关领域的应用中，表现出较强的鲁棒性和适应性，具有广泛的应用前景。

5、因此，可以借助tie中丰富的低频信息并通过创新性的结构设计，建立一套紧凑型光学系统以实现wdpm与tie技术的优势互补，解决光晕效应问题。通过分别提取wdpm与tie所得到相位信息的不同频率成分，并对其进行有效融合，可实现更为精确的相位重建。

技术实现思路

1、为解决基于wdpm技术存在的光晕效应问题，本发明的目的在于提供一种基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测装置和方法，通过在频域将高频信息和低频信息进行融合，实现对相位物体低频轮廓的准确恢复与高频细节的充分保留，可以有效地抑制光晕效应。本发明应用于精密加工制造领域，能够实现高精度、高稳定性的三维定量相位检测。

2、为达到上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

3、本发明公开的基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测装置，包括白光led、集光镜、孔径光阑、会聚透镜光阑、会聚透镜、分光棱镜、管镜、显微物镜、被测反射型物体、衍射光栅、分光棱镜、正透镜、空间滤波器、反射镜、ccd相机、正透镜、空间滤波器、正透镜、ccd相机。所述一个分光棱镜位于衍射光栅的下方、管镜的上方；所述另一个分光棱镜位于正透镜的下方、衍射光栅的上方。

4、由白光led发出的光束首先经集光镜会聚，并通过孔径光阑、会聚透镜光阑控制照明系统的数值孔径。随后，光束经过会聚透镜形成平行光束。所述平行光束进入分光棱镜后被反射向下，依次经过管镜、显微物镜照射至被测反射型样本表面。携带样本信息的光束经样本反射后，原路返回显微物镜和管镜，经管镜重新准直为平行光。此平行光束再次经过分光棱镜，并入射到衍射光栅形成多个衍射级次的光束。其中，所需的衍射级次（包括0级、+1级）进一步经由另一分光棱镜分成两束。其中，透射光束经正透镜会聚于空间滤波器处，并只允许0级、+1级衍射光束通过，根据傅里叶光学与几何光学基本原理，经过反射镜和正透镜的作用，所述衍射光束最终形成具有空间夹角的平行光束。随后，所述平行光束分别作为物光与参考光，经由分光棱镜反射至ccd相机的靶面，并发生干涉，被所述ccd相机记录。同时，反射光束经正透镜会聚到另一空间滤波器上，并仅允许+1级衍射光束通过，阻挡其余级次光束。所述衍射光束经正透镜作用后，出射为一束准直的平行光束，并被所述ccd相机记录。

5、空间滤波器与反射镜的反射面重合，并位于正透镜的傅里叶面上。正透镜与空间滤波器、反射镜构成基于等效4f系统的滤波装置，该结构确保入射的平行光束经正透镜会聚在空间滤波器上，并经反射镜的反射作用，再次通过正透镜恢复为平行光。空间滤波器为具有特定通光孔径的物理光阑（如狭缝或针孔阵列）。通过精确调整空间滤波器的位置，使其通光孔径仅对准并允许0级衍射光束和+1级衍射光束的两个焦点通过。其余级次的汇聚光束焦点均被空间滤波器的非通光区域所阻挡。经空间滤波器筛选后透过的0级和+1级两束光，在通过滤波器孔径后，将分别重新开始发散传播。随后，这两束发散光入射至一正透镜。根据几何光学原理，当点光源位于正透镜的前焦面上时，其出射光将被正透镜转换为平行光。因此，分别源于0级和+1级焦点的两束发散光，在经过该正透镜后，被独立地准直成为两束平行的出射光。由于0级和+1级光束在空间滤波器的焦平面上来源于两个在空间上分离的焦点，且这两个焦点与正透镜光轴存在特定的横向偏移关系，因此，经同一正透镜准直后，所产生的两束平行光的传播方向并不相同。它们之间形成一个恒定的、由两焦点分离距离和正透镜焦距共同决定的空间夹角。其中一束(+1级)为物光，另一束(0级)为参考光。最终，这两束具有稳定空间夹角的平行光(物光与参考光)被共同引导至ccd相机的成像靶面区域。由于它们来自同一光源，具有高度的时空相干性，当它们在相机靶面上相遇时，便会发生干涉，形成稳定的空间干涉条纹，从而被ccd相机所记录。

6、本发明公开的基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测方法，根据所述基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测记录的信息进行定量相位检测。本发明公开的基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测方法，包括如下步骤：

7、步骤一、双模式图像采集。ccd相机记录包含物光与参考光干涉信息的白光衍射数字全息图。另一ccd相机记录仅携带物体信息的聚焦光强图，通过移动所述ccd相机的位置，采集到仅携带物体信息的过焦光强图。

8、步骤二、基于白光衍射的定量相位重构。对所述数字全息图进行傅里叶变换将图像从空间域转换至频域，输出结果为与图像尺寸相同的复数矩阵，记为，其中u和v为频域坐标，该复数矩阵的模值直观表征图像中不同空间频率成分的强度分布。随后，进行频移。此操作通过交换复数矩阵的四个象限实现：将原始频谱的零频分量(即直流分量)从矩阵的角落位置(通常为左上角)平移到频谱图的几何中心。经此处理后的频谱称为中心化频谱，其中心区域代表低频成分，外围代表高频成分，使得由物光与参考光夹角引起的载频分量(表现为对称的±1级频谱)能更清晰地在频谱中心外围被识别。然后在经中心化处理后的频谱图中，识别并提取对应的+1级频谱。根据离轴数字全息原理，这些亮斑对称分布于中心两侧，分别对应-1级和+1级频谱，以识别出的+1级频谱亮斑为中心，定义一个二维窗函数(通常为矩形窗或圆形窗)。利用该窗函数作为掩模，在所述中心化复数频谱矩阵上，仅保留窗函数覆盖区域内的频谱数据，而将窗函数区域外的所有频谱数据置零。此操作完成了对+1级频谱分量的滤波提取。将提取出的频谱数据(一个复数子矩阵)置于一个与原始频谱尺寸相同但所有元素初始为零的新复数矩阵的对应位置，从而生成一个仅包含目标+1级频谱信息的、新的复数频谱矩阵，记为。利用得到的+1级频谱信息，通过基于白光衍射的相位重构算法,重构出第一相位。

9、步骤三、基于光强传输方程的相位重构。利用ccd相机记录的聚焦光强图，通过基于光强传输方程的相位重构算法，重构出第二相位，即根据tie方程解算得到相位信息。

10、步骤四、截止频率确定。将得到的两个相位矩阵、分别代入公式，其中，a代表振幅项，可用视场内的光强平均值代替，得到相应地复振幅、。复振幅经傅里叶变换分别转换至频域，即通过公式得到其对应的频谱和。随后以条件确定出截止频率。该截止频率用于界定在后续融合中，分别从和的频谱中选取相应的频率范围。

11、步骤五、频谱融合与相位输出。基于所述截止频率 ，构造一个圆形权函数，其值在0到1之间连续变化，在频域平面上表现为一个中心为1、边缘为0的圆形渐变窗口。。利用上述圆形权函数，按下述规则在频域逐点构造融合频谱，，实现两频谱数据在对应频带内的自然融合。通过所述过程，最终得到融合后的频谱。对频谱进行计算从而得到融合后的相位，解算得到的相位转换为样品的实际高度，实现基于白光衍射和光强传输方程的定量相位解调，即实现定量相位检测。

12、本发明的基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测方法，在进行频谱融合前，关键步骤是确定合适的截止频率。理想的频谱融合应在尽可能保留wdpm方法所恢复的高分辨率相位细节的同时，充分利用tie方法所提取的精确低频相位信息。为此，我们首先将tie与wdpm方法解算得到的相位所重构的复振幅在频域进行相减，并以满足条件的频率作为截止频率。随后，根据该截止频率，将tie重构复振幅中的低频部分与wdpm重构复振幅的高频部分进行融合。

13、本发明的基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测方法，所述圆形权函数的物理与技术含义为：低频部分()：此时，融合频谱几乎完全采用，以确保相位分布的宏观轮廓、倾斜及离焦项等低频信息的准确性;高频部分()：此时，融合频谱几乎完全采用，这使得样本的精细结构、边缘细节等高分辨率信息得以完整保留，以保留其丰富的高分辨率细节；过渡带圆形权函数平滑地从1过渡到0，实现两频谱数据在对应频带内的自然融合。通过所述过程，最终得到融合后的频谱。

14、有益效果： 1、本发明公开的基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测装置，能够同时获取物体的白光衍射数字全息图与基于光强传输方程的光强图，实现了两种技术的优势互补。2、本发明公开的基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测装置，正透镜与空间滤波器、反射镜构成基于等效4f系统的滤波装置，简化了光路结构。该结构确保入射的平行光束经正透镜会聚在空间滤波器上，并经反射镜的反射作用，再次通过正透镜恢复为平行光，从而在紧凑的空间内实现了光束的空域滤波。3、本发明公开的基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测装置，位于衍射光栅上方的分光棱镜，实现了光路在其内部的全路径传播，即空域复用。4、本发明公开的基于白光衍射和光强传输方程的定量相位检测方法，通过将白光衍射与光强传输方程技术所重构的相位在频域中进行融合，实现了白光衍射数字全息技术固有光晕效应的抑制，提升了所述技术的相位成像精度。