一个方法来提高成像质量在双波长数字全息显微术

文摘

数字hologram-optimizing方法提出了提高双波长数字全息显微镜的成像质量(DDHM)通过减少相位噪声水平。在我们以前的工作,降低相位噪声是通过双波长数字屏全息显微镜(DDIPHM)。本文优化方法,相位噪声进一步降低增强实像项和抑制效果的零级项数字全息图的频谱。实际上,实像的载频项对应的全息干涉条纹。在数学上,一阶固有模态函数(IMF1)在二维经验模态分解(BEMD)也有类似的理想干涉条纹的灰度值特征。因此,DDIPHM和BEMD的组合,利用IMF1的特点,数字全息图与纯化干涉条纹进行优化,同时加强实像的术语。最后,由实验结果验证了该方法的有效性在微步。

1。介绍

实时性能等各种优势,非侵入性属性,和容易处理的数学计算,数字全息显微术(DHM)经历了实质性发展的微观结构的表面轮廓测量1- - - - - -3]。对象可以检索在振幅和相位波前的数值重建过程同时数字全息图(4]。双波长数字全息显微镜(DDHM)扩展了测量范围的单波长数字全息显微术当DHM应用于测量高纵横比的结构,特别是与微米一步一步结构高度(5,6]。

然而,相位噪声,尤其是在录音过程中,测量高度时放大范围同时放大,导致损失的轴向分辨率测量(7,8]。

除了图像处理方法(9- - - - - -11),提出了减噪方法旨在DDHM在过去的几十年,等数学方法,双波长展开算法(7,8]。错误点发生在双波长展开算法应用。在以往的研究中,我们分析了发生错误的原因分,提出了一种更安全的方法,即双波长数字屏全息显微镜(DDIPHM) [12,13]在DDHM抑制相位噪声。本文基于组合优化方法的二维经验模态分解(BEMD)和DDIPHM提出改善DDHM的成像质量。

经验模态分解(EMD)方法被用于数字全息术。EMD直接执行的任务粒子大小和轴向定位从在线数字全息图而不是重建光场(14,15]。至于降噪,EMD是用作通用数据过滤器。重建的图像强度由EMD分解。删除的固有模式函数重建强度图像,其余条款去噪图像(16]。EMD方法应用于图像处理的最后一步。EMD滤波降噪的作用。因此,声音并不是分析。

本文不同于(16),使用BEMD原始数字全息图的频谱分析和过程。本文提出的优化方法结合BEMD DDIPHM。应用该方法之后,全息干涉条纹的纯化和增强。因此,零级项在频谱抑制。因此,重建相位噪声是降低DDIPHM相比。通过优化的全息干涉条纹,从底部可以改善成像质量。数字屏显微全息图处理微步的样本在DDHM验证方法。

2。实验仪器

DDHM如图的实验装置1。照明来源包括一个可调谐二极管激光器 纳米(Nanobase Xperay-TL-STD 639 nm - 697 nm)和一个激光二极管抽运 纳米(CrystaLaser cl640 - 050 s),收益率beat-wavelength μm。中性过滤器NF1和NF2被用来调整两个激光束的强度。通过光束分割BS1 BS2,两束激光分成物体光束和参考光束,分别。样品的信息收集的显微镜物镜(MO,三丰公司,M计划Apo SL ,50 x)编码对象的干涉图样光束和参考光束。这个干涉图样是记录在数字探测器(CCD、Imperx PX-2M30-L, 7.4、正方形像素的观点μ米,33帧/ s)形成了全息图。全息图是特殊的,因为它是集中的测试样本,即像平面全息图。所有的光束被光束扩展器BE1平行和扩大,BE2, BE3。镜片在图1被用来产生球面波。通过倾斜镜M3和M5,每个波长的k个向量可以独立调整。后来,边缘的方向和数量与正交载波频率调谐,以避免频谱的重叠效应。

3所示。原则

的成像噪音DDHM源于相干记录和有限大小的像素CCD相机。温度变化的媒体和可见的瑕疵在任何窗口,通过也会引起衍射和反射光线。上述干扰因素应该被移除的舞台全息图加工;否则,他们会引入相位噪声测量的表面微观结构的分析。

数字全息图记录在单波长的强度DHM可以写成

波前的对象,而 是参考波前。表示共轭项。在(1),实像 应由过滤提取记录全息图的频谱来检索阶段。在录音过程中提到的令人不安的因素,包括高频率因素,如散斑噪声和低频因素,如均匀照明,位于整个频谱。因此,过滤 会受到影响,导致相位噪声。

然而,载波频率 和 有通信密集的干涉条纹。事实上,干涉条纹在空间域对应的载波频率 和 在频域。因此,从全息图中提取干涉条纹会抑制零级项,提高频谱的实像的术语。因此,增强 、相位噪声将会降低。发生了EMD方法来解决这个问题。

EMD一个复杂的时间序列分解为有限数量的货币的总和。每个组织需要满足以下两个条件:(1)极端点的数量应该等于或大于零的数量在整个时间序列(2)在任何时候,信封的平均值由局部最大值点和局部最小值点是零

图2显示了模拟杨氏双缝干涉的干涉条纹和灰度值干扰(波长 纳米狭缝的宽度 米,记录飞机和狭缝之间的距离 米)。国际货币基金组织的特点很好地匹配在全息干涉条纹的灰度值。

因此,信息可以通过干涉条纹的筛选过程的全息图。由于全息图是二维,BEMD筛选过程应用和描述如下14,15]。(1) , :过程变量;和 :周期时间; :最初的信号; , (2)识别的最小值()和极大值() 。如果没有,保存作为一个残留并完成该算法(3)连接所有的局部极大值创建上信封,和同样的较低的信封 ,计算算术平均值(4) , (5)如果减法结果符合国际货币基金组织的条件,保存作为国际货币基金组织我, 回到第2步 。否则, , 回到第2步

通过分析频谱的全息图,全息图被BEMD分解,和IMF1可以保持优化的全息图的频谱计算处理重建。

的强度分布DDHM可以写成的全息图

是一个像平面全息图的强度。 像平面全息图的坐标, 。 是对象的复振幅每个波长的光束。 是复杂的参考光束的振幅。表示复共轭。由于不同角度的k个向量,每一项(2傅里叶平面上)占据着不同的位置不重叠,见图3 (c)。BEMD法,IMF1的原始全息图被认为是优化的全息图(图3 (b))。强度是贴上在图3 (b)。频谱如图3 (d)。根据图3 (c)真正的图像的频率分量或虚拟映像过滤: 在哪里和分别表示傅里叶变换和傅里叶反变换。 的窗口函数频率过滤。

通过使用DDIPHM,样品的相位和振幅可以直接提取: 在哪里 是波长的波前重构 。 数字相位掩模补偿畸变。的阶段是

样品的高度 在哪里 形成阶段和吗beat-wavelength, 。

4所示。实验结果

实验结果应该从的角度讨论了先前的研究和工作假设。讨论的发现及其意义应该是最广泛的上下文。未来的研究方向也会高亮显示。

评估的有效性,微步(表面镀金,测试样本Lyncee tec)是衡量DDHM的设置,和一笔轮廓曲线仪(KLA-Tencor,第16页+ / P-6)与1毫克的力量对比。在本部分中,DDIPHM的实验结果,与BEMD DDIPHM DDHM比较证明BEMD可以实现较低的相位噪声水平。

微步的像平面全息图呈现在图3(一个)。干涉条纹的放大部分显示了两个波长的空间频率不同的角度。图3 (b)IMF1的图吗3(一个)在使用BEMD方法。在图3 (b)干涉条纹从背景中脱颖而出。的频率光谱数据3(一个)和3 (b)如数据所示3 (c)和3 (d),分别。分离的(1)标记在图3 (c)。BEMD处理后,减少了。实际上,其他干扰因素与高或低频率也减少了干扰项在IMF1增强。在频谱分离条件数据3 (c)和3 (d)证明每个频率分量可以直截了当地孤立空间滤波。

图4(一)显示了重建阶段。微步的表面轮廓图所示4 (b)。图4 (c)展示了高度剖面绘制通过唱针测定沿黑线,DDIPHM, DDIPHM BEMD, DDHM图4 (b)(重建距离是 毫米,重建的角谱法)。

由于DHM的精度可以0.1 nm,计算高度值保持一个十进制数字。多个剖面线的平均身高是实验结果(图4 (c)和表1)DDIPHM, DDIPHM BEMD,针术,DHM后去除严重错误像明显污渍。步骤编号为1、2、3、4从左到右。

5。讨论

两个点可以从实验结果得出结论:首先,DDIPHM相比,显然是抑制噪声的测量与BEMD DDIPHM;第二,针术相比,测量的正确性与BEMD DDIPHM两测量结果验证了良好的一致。自从BEDM用于提高干涉条纹的对比度,DDIPHM BEMD是特别适合全息图的重建与散斑噪声环境中获得的。生物细胞或组织之间的折射率差异和环境可能很大。因此,DDIPHM BEMD是适当的方法来检索阶段的生物样本。虽然相位测量的范围扩大,横向分辨率是维护。

6。结论

提出了本文hologram-optimizing方法。通过使用DDIPHM BEMD方法,提取干涉条纹,从而增强的实像项和抑制零级项在全息图的频谱。录音过程中干扰因素的影响同时被抑制。根据实验结果,测量噪声水平的DDIPHM BEMD方法可以进一步减少DDIPHM相比。验证了提出方法的有效性与针表面光度仪测量。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

研究工作得到了国家自然科学基金(国家自然科学基金委)(51775381),天津市教育委员会研究项目(2017 kj182和JWK1612)、精密测试技术及仪器国家重点实验室(天津大学)基金会(pilab1704)和天津自然科学基金会(18 jcqnjc05600)。

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