CN110095968B - 一种离轴数字全息图像重建装置和方法及显微成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离轴数字全息图像重建装置和方法及显微成像系统。该装置利用FPGA芯片实现，包括物光频谱生成模块、重建评价单元、聚焦模块以及相位解包裹模块。其中，重建评价单元包括核函数频谱生成模块、反衍射模块以及清晰度计算模块。在清晰度计算模块计算与第N个衍射距离对应的反衍射物像信息的清晰度时，反衍射模块根据与第N+1个衍射距离对应的核函数频谱和物光频谱生成对应的反衍射物像信息，核函数频谱生成模块根据第N+2个衍射距离生成对应的核函数频谱。上述方案利用FPGA芯片的硬件流水设计和并行处理机制，基于图像重建过程中各计算模块的时序关系进行流水并行处理，极大提高了图像重建速度，从而确保了数字全息图像重建的实时处理效果。

Description

一种离轴数字全息图像重建装置和方法及显微成像系统

技术领域

本发明涉及数字全息成像技术领域，更具体地涉及一种离轴数字全息图像重建装置和方法及显微成像系统。

背景技术

数字全息成像技术利用光敏图像传感器(如CCD或CMOS)记录物光波和参考光波干涉后的全息图像，通过数字计算模拟光波场的衍射过程对全息图像进行重建。从而获得被全息图像记录下来的物光波的强度图和相位图，进而得到物体的三维形貌成像。数字全息成像技术有着广阔的应用前景，例如数字全息成像显微镜、立体电影、医学诊断等等。目前主流的数字全息技术根据光路的不同分为同轴数字全息系统和离轴数字全息系统。由于离轴数字全息系统可以从光路部分将物体的虚像、实像和零级衍射像在空间上进行分离，因此被广泛的应用在数字全息成像系统中。

离轴数字全息成像系统模拟光波场衍射进行图像重建，其中衍射距离决定了再现图像的清晰度。全息图像的记录距离表示准确的聚焦像平面位置。衍射距离越接近全息图的记录距离，重建的图像越清晰，而衍射距离越偏离全息图的记录距离，重建的图像越模糊。基于采集全息图像的光路参数，可以确定记录距离的范围，从而得到衍射距离的搜索范围。为了确定精确的衍射距离，通常需要在衍射距离的搜索范围内，不断改变衍射距离，通过数字计算模拟光波场的衍射过程得到重建图像，基于重建图像的清晰度来寻找最优衍射距离，也即最接近记录距离的衍射距离。这个寻找最优衍射距离的过程需要多次循环计算，整个过程计算时间较长，严重影响到数字全息图像重建的实时处理效果。

因此，迫切需要一种新的离轴数字全息图像重建技术，以解决上述技术问题。

发明内容

考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供了一种离轴数字全息图像重建装置和方法及显微成像系统。

根据本发明一方面，提供了一种离轴数字全息图像重建装置。所述装置利用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)芯片实现，所述装置包括物光频谱生成模块、重建评价单元、聚焦模块以及相位解包裹模块，其中，所述重建评价单元包括核函数频谱生成模块、反衍射模块以及清晰度计算模块，

所述物光频谱生成模块用于接收样品的全息图像，根据所述全息图像生成物光频谱，并输出所述物光频谱给所述反衍射模块；

所述核函数频谱生成模块用于根据各个衍射距离逐个生成对应的核函数频谱，并输出所述核函数频谱给所述反衍射模块；

所述反衍射模块用于根据各个核函数频谱和所述物光频谱逐个生成对应的反衍射物像信息，输出所述反衍射物像信息给所述清晰度计算模块；并且根据与最优清晰度对应的反衍射物像信息计算并输出所述样品的强度图；

所述清晰度计算模块用于逐个计算所述反衍射物像信息的清晰度，并输出所述清晰度给所述聚焦模块；

所述聚焦模块用于在衍射距离搜索范围内、基于搜索步长逐个生成衍射距离并输出给所述核函数频谱生成模块；并且从与各个衍射距离分别一一对应的清晰度中确定所述最优清晰度，进而确定并输出与所述最优清晰度对应的衍射距离给所述核函数频谱生成模块；

所述相位解包裹模块用于对与所述最优清晰度对应的反衍射物像信息进行相位解包裹计算以得到并输出所述样品的相位图；

其中，利用所述现场可编程门阵列芯片的硬件流水设计和并行处理机制，在所述清晰度计算模块计算与第N个衍射距离对应的反衍射物像信息的清晰度时，所述反衍射模块根据与第N+1个衍射距离对应的核函数频谱和所述物光频谱生成对应的反衍射物像信息，所述核函数频谱生成模块根据第N+2个衍射距离生成对应的核函数频谱，N为正整数。

示例性地，所述重建评价单元是多个，分别用于根据不同的衍射距离并行计算对应的反衍射物像信息的清晰度，并输出给所述聚焦模块。

示例性地，所述核函数频谱生成模块包括核函数生成子模块和核函数二维傅里叶变换子模块，

所述核函数生成子模块用于根据各个衍射距离生成对应的卷积核函数，并输出所述卷积核函数给所述核函数二维傅里叶变换子模块；

所述核函数二维傅里叶变换子模块用于对各个卷积核函数进行二维傅里叶变换以得到对应的核函数频谱，并输出所述核函数频谱给所述反衍射模块。

示例性地，所述核函数生成子模块包括第一存储器，所述第一存储器用于预存与生成所述卷积核函数相关的固定参数。

示例性地，其特征在于，所述物光频谱生成模块包括全息图二维傅里叶变换子模块和频谱移动子模块，

所述全息图二维傅里叶变换子模块用于接收所述全息图像，对所述全息图像进行二维傅里叶变换以得到图像频谱，并输出所述图像频谱给所述频谱移动子模块；

所述频谱移动子模块用于根据光路参数对所述图像频谱进行频谱移动以得到所述物光频谱，并输出所述物光频谱给所述反衍射模块。

示例性地，所述频谱移动子模块包括第二存储器，所述第二存储器用于预存所述光路参数。

示例性地，所述反衍射模块包括乘法子模块和二维傅里叶逆变换子模块，

所述乘法子模块用于将各个核函数频谱分别和所述物光频谱相乘以得到相应的相乘结果，并将所述相乘结果输出给所述二维傅里叶逆变换子模块；

所述二维傅里叶逆变换子模块用于对各个相乘结果进行二维傅里叶逆变换以得到对应的反衍射物像信息，并输出所述反衍射物像信息给所述清晰度计算模块。

示例性地，所述装置包括视频图形阵列接口，所述视频图形阵列接口用于输出所述强度图和/或所述相位图。

根据本发明另一方面，提供了一种离轴数字全息显微成像系统。所述系统包括顺次连接的光路装置、上述离轴数字全息图像重建装置以及显示器，其中，

所述光路装置用于生成并输出样品的全息图像给所述离轴数字全息图像重建装置；

所述显示器用于自所述离轴数字全息图像重建装置接收并显示所述样品的强度图和/或相位图。

示例性地，所述光路装置包括激光光源、空间滤波器、第一双胶合透镜、孔径光阑、分光棱镜、反射镜、第二双胶合透镜、物镜、载物台以及光敏图像传感器。

根据本发明又一方面，还提供了一种离轴数字全息图像重建方法。所述方法包括：

步骤S10，根据样品的全息图像生成物光频谱；

步骤S20，在衍射距离搜索范围内、基于搜索步长逐个生成衍射距离，针对每个衍射距离执行以下子步骤：

子步骤S21，根据该衍射距离生成对应的核函数频谱；

子步骤S22，根据所述对应的核函数频谱和所述物光频谱生成对应的反衍射物像信息；

子步骤S23，计算所述对应的反衍射物像信息的清晰度；

步骤S30，从与各个衍射距离分别一一对应的清晰度中确定最优清晰度，进而确定与所述最优清晰度对应的衍射距离；

步骤S40，根据与所述最优清晰度对应的衍射距离，重复子步骤S21和子步骤S22生成最优反衍射物像信息；

步骤S50，对所述最优反衍射物像信息进行相位解包裹计算以得到所述样品的相位图；

步骤S60，根据所述最优反衍射物像信息计算所述样品的强度图。

其中，在针对与第N个衍射距离对应的反衍射物像信息执行子步骤S23时，针对与第N+1个衍射距离对应的核函数频谱执行子步骤S22，针对第N+2个衍射距离执行子步骤S21，N为正整数。

根据本发明实施例的离轴数字全息图像重建装置和方法及显微成像系统，利用FPGA芯片的硬件流水设计和并行处理机制，基于图像重建过程中各计算模块的时序关系进行流水处理和并行处理，极大提高了图像重建的计算速度，从而确保了数字全息图像重建的实时处理效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1示出了根据本发明一个实施例的离轴数字全息图像重建装置的示意性框图；

图2示出了根据本发明一个实施例的物光频谱生成模块的示意性框图；

图3示出了根据本发明一个实施例的核函数频谱生成模块的示意性框图；

图4示出了根据本发明一个实施例的反衍射模块的示意性框图；

图5示出了根据本发明另一个实施例的离轴数字全息图像重建装置的示意性框图；

图6示出了根据本发明一个实施例的离轴数字全息显微成像系统的示意性框图；以及

图7示出了根据本发明另一个实施例的离轴数字全息显微成像系统的示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

为了解决上述问题，本发明提出了一种离轴数字全息图像重建装置。下面，将参考图1描述根据本发明实施例的离轴数字全息图像重建装置1000。

图1示出了根据本发明一个实施例的离轴数字全息图像重建装置1000的示意性框图。装置1000利用FPGA芯片实现。如图1所示，装置1000包括物光频谱生成模块1100、重建评价单元1200、聚焦模块1300以及相位解包裹模块1400。其中，重建评价单元1200包括核函数频谱生成模块1210、反衍射模块1220以及清晰度计算模块1230。物光频谱生成模块1100用于接收样品的全息图像，根据接收到的全息图像生成物光频谱，并输出物光频谱给反衍射模块1220。核函数频谱生成模块1210用于根据各个衍射距离逐个生成对应的核函数频谱，并输出核函数频谱给反衍射模块1220。反衍射模块1220用于根据核函数频谱生成模块1210逐个生成的核函数频谱和物光频谱生成模块1100生成的物光频谱逐个生成对应的反衍射物像信息，并输出反衍射物像信息给清晰度计算模块1230。反衍射模块1220还用于根据与最优清晰度对应的反衍射物像信息计算并输出样品的强度图。清晰度计算模块1230用于逐个计算自反衍射模块1220接收的反衍射物像信息的清晰度，并输出清晰度给聚焦模块1300。聚焦模块1300用于在衍射距离搜索范围内、基于搜索步长逐个生成衍射距离并输出给核函数频谱生成模块1210；并且从与各个衍射距离分别一一对应的清晰度中确定最优清晰度，进而确定并输出与最优清晰度对应的衍射距离给核函数频谱生成模块1210。相位解包裹模块1400用于对与聚焦模块1300确定的最优清晰度对应的反衍射物像信息进行相位解包裹计算以得到并输出样品的相位图。其中，利用FPGA芯片的硬件流水设计和并行处理机制，在清晰度计算模块1230计算与第N个衍射距离对应的反衍射物像信息的清晰度时，反衍射模块1220根据与第N+1个衍射距离对应的核函数频谱和物光频谱生成对应的反衍射物像信息，核函数频谱生成模块1210根据第N+2个衍射距离生成对应的核函数频谱，N为正整数。

在数字全息图的记录过程中，使用一束相干光(物光)照射样品，经过投射和反射后的光波传播到记录平面，与另一束相关光(参考光)发生干涉，记录平面得到的干涉条纹图像即是样品的全息图像。图像重建单元100的各模块基于菲涅耳衍射算法模拟近场光波场的衍射实现全息图像重建。基于全息图像采集装置的光路结构、光源波长以及参考光角度等参数可以计算记录平面的位置范围，也即全息图像的记录距离的范围。从而可以确定衍射距离搜索范围，其中，记录距离的范围包括在衍射距离搜索范围内。例如，对于一台数字全息成像显微镜，其记录距离的范围是260mm～280mm，则衍射距离搜索范围可以确定为255mm～285mm。聚焦模块1300在衍射距离搜索范围内、基于预设的搜索步长逐个生成衍射距离。继续上述示例，确定衍射距离搜索范围为255mm～285mm，预设搜索步长为1mm。表1示出了装置100中各模块的流水处理时序。

表1装置100中各模块流水处理时序

如表1所示，聚焦模块1300逐个生成衍射距离255mm、256mm、……、284mm、285mm共31个衍射距离。聚焦模块1300把衍射距离逐个输出给核函数频谱生成模块1210。核函数频谱生成模块1210根据接收到的衍射距离生成核函数频谱输出给反衍射模块1220。反衍射模块1220根据接收到的核函数频谱和自物光频谱生成模块1100接收的物光频谱生成与该衍射距离对应的反衍射物像信息，并输出给清晰度计算模块1230。清晰度计算模块1230根据接收到的反衍射物像信息计算出与该衍射距离对应的重建图像的清晰度。在清晰度计算模块1230计算与衍射距离255mm对应的反衍射物像信息的清晰度时，反衍射模块1220可以根据与衍射距离256mm对应的核函数频谱和物光频谱生成对应的反衍射物像信息，核函数频谱1210生成模块可以根据衍射距离257mm生成对应的核函数频谱，聚焦模块1300可以生成衍射距离258mm。由此形成逐级流水，聚焦模块1300、核函数频谱生成模块1210、反衍射模块1220与清晰度计算模块1230可以并行处理，直至完成最后一个搜索距离285mm对应的重建图像的清晰度计算。聚焦模块1300根据与各个衍射距离对应的清晰度，从中确定与最优清晰度对应的衍射距离A。聚焦模块1300把衍射距离A发送给核函数频谱生成模块1210。核函数频谱生成模块1210根据衍射距离A生成核函数频谱输出给反衍射模块1220。反衍射模块1220根据与衍射距离A对应的核函数频谱和物光频谱生成对应的反衍射物像信息，根据该反衍射物像信息生成样品的强度图输出，并把该反衍射物像信息输出给相位解包裹模块1400。相位解包裹模块1400对与衍射距离A对应的反衍射物像信息进行相位解包裹计算以得到样品的相位图输出。至此，完成一个全息图像的重建处理。

上述技术方案利用FPGA芯片的硬件流水设计和并行处理机制，基于图像重建过程中各计算模块的时序关系进行流水处理和并行处理。使得从多个衍射距离中搜索与最优清晰度对应的最佳衍射距离的多次计算能够并行流水处理，由此极大提高了图像重建的计算速度，从而确保了数字全息图像重建的实时处理效果。例如，对于一个样品的全息图像，表2示出了图像重建单元100中每个模块完成一次处理所需的处理周期。

表2完成一次处理所需的处理周期

如表2所示，对于本示例样品的全息图像，物光频谱生成模块1100生成物光频谱需要786432个时钟周期。针对一个衍射距离的计算，聚焦模块1300需要10个时钟周期，核函数频谱生成模块1210需要524288个时钟周期，反衍射模块1220需要524288个时钟周期，清晰度计算模块1230需要262144个时钟周期。相位解包裹模块1400对与最优清晰度对应的反衍射物像信息进行解包裹处理需要2097152个时钟周期。本领域技术人员可以理解，针对一个衍射距离的计算的并行流水处理取决于参与流水处理的4个模块(聚焦模块1300、核函数频谱生成模块1210、反衍射模块1220以及清晰度计算模块1230)中处理周期最长的模块的处理周期。根据表2可知，对于本示例样品的全息图像，针对一个衍射距离的计算的并行流水处理周期为524288个时钟周期，即核函数频谱生成模块1210或反衍射模块1220的处理周期。如果不做并行流水处理，针对一个衍射距离的计算为各模块的串行处理时间。对于本示例样品的全息图像，针对一个衍射距离的计算的串行处理时间＝10+524288+524288+262144＝1310730个时钟周期。可以看出，根据本发明实施例的离轴数字全息图像重建装置1000，对于本示例样品的全息图像，针对一个衍射距离的计算相对于现有技术提高了1310730÷524288＝2.5倍的处理速度。可以看出，基于FPGA芯片的硬件流水设计和并行处理进行衍射距离搜索计算，极大提高了图像重建的计算速度，从而确保了数字全息图像重建的实时处理效果。另一方面，利用FPGA芯片实现离轴数字全息图像重建装置，可以克服当前数字全息系统设备庞大的问题，提升了系统的便携性。

可以理解，对于确定的衍射距离搜索范围，搜索步长越小，最终确定与最优清晰度对应的衍射距离的精度越高，重建图像的清晰度越好，但由此也需要根据更多个备选的衍射距离进行计算处理，耗时越长。上述示例中，如预设搜索步长为0.1mm，则需要逐个根据衍射距离255.0mm、255.1mm、255.2mm、……、284.9mm、285.0mm共301个衍射距离进行计算。对此，可以根据实际工程需要设置合适的衍射距离搜索范围和搜索步长参数，以取得良好的实时处理效果。

图2示出了根据本发明一个实施例的物光频谱生成模块1100的示意性流程图。如图2所示，物光频谱生成模块1100包括全息图二维傅里叶变换子模块1110和频谱移动子模块1120。全息图二维傅里叶变换子模块1110用于接收全息图像，对接收到的全息图像进行二维傅里叶变换以得到图像频谱，并输出图像频谱给频谱移动子模块1120。通过全息图二维傅里叶变换子模块1110把样品在空域的全息图像变换到频域，得到样品的图像频谱。

频谱移动子模块1120用于根据光路参数对自全息图二维傅里叶变换子模块1110接收的图像频谱进行频谱移动以得到物光频谱，并输出物光频谱给反衍射模块1220。频谱移动把全息面上正一级衍射项频谱与零级衍射项和负一级衍射项频谱分离，以得到物像频谱。然后再将物像频谱移动到整个频谱中心位置，这样就得到了全息面上物光波复振幅的频谱，也即物光频谱。

通过FPGA芯片实现全息图二维傅里叶变换子模块1110与频谱移动子模块1120的流水线式处理，直接将全息图二维傅里叶变换子模块1110输出的图像频谱传入频谱移动子模块1120，不需进行中间结果的存储与读取操作。由此，进一步提高了流水处理的效率，从而进一步提高了图像重建的计算速度，确保了数字全息图像重建的实时处理效果。

在进行频谱移动处理时，需要知道用于采集全息图像的光源波长、参考光与物光的夹角、物光到光敏图像传感器的距离、光敏图像传感器的像素间距、正一级衍射项频谱的位置和范围、聚焦范围等相关光路参数。在一个实施例中，频谱移动子模块1120包括第二存储器，该第二存储器用于预存光路参数。第二存储器可以利用FPGA的BlockRAM实现。由此，简化了频谱移动处理的计算过程，进一步提高了图像重建的计算速度，确保了数字全息图像重建的实时处理效果。

图3示出了根据本发明一个实施例的核函数频谱生成模块1210的示意性框图。如图3所示，核函数频谱生成模块1210包括核函数生成子模块1211和核函数二维傅里叶变换子模块1212。

通过数字计算模拟近场光波场的衍射过程中，主要有基于卷积运算的菲涅耳衍射算法和基于傅立叶变换的菲涅耳衍射算法。随着光波长的增大和原始物场到衍射场的距离的增大，衍射场的采样间隔会变大。后者在频率变换时，需考虑原始物场与衍射场之间采样间隔的关系。而卷积算法中的全息平面的采样率与物平面的采样率保持一致，计算中不需要做频率变换。因此本实施例选择卷积重现算法作为离轴数字全息图像再现算法。核函数生成子模块1211用于根据各个衍射距离基于公式1生成对应的卷积核函数，并输出卷积核函数给核函数二维傅里叶变换子模块1212。其中，λ是波长，k＝2*π/λ，d是衍射距离，Δx和Δy表示像素坐标。

核函数二维傅里叶变换子模块1212用于对各个卷积核函数进行二维傅里叶变换以得到对应的核函数频谱，并输出核函数频谱给所述反衍射模块1220。

通过FPGA芯片实现核函数生成子模块1211和核函数二维傅里叶变换子模块1212的流水线式处理，直接将核函数生成子模块1211输出的卷积核函数传入核函数二维傅里叶变换子模块1212，不需进行中间结果的存储与读取操作。由此，进一步提高了流水处理的效率，从而进一步提高了图像重建的计算速度，确保了数字全息图像重建的实时处理效果。

在核函数生成时，需要知道用于采集全息图像的光源波长、光敏图像传感器的像素间距、聚焦范围等相关的固定参数。在一个实施例中，核函数生成子模块1211包括第一存储器，该第一存储器用于预存与生成卷积核函数相关的固定参数。第一存储器可以利用FPGA的BlockRAM实现。由此，简化了核函数生成的计算过程，进一步提高了图像重建的计算速度，确保了数字全息图像重建的实时处理效果。

图4示出了根据本发明一个实施例的反衍射模块1220的示意性框图。如图4所示，反衍射模块1220包括乘法子模块1221和二维傅里叶逆变换子模块1222。乘法子模块1221用于将自核函数频谱生成模块1210接收的各个核函数频谱分别和自物光频谱生成模块1100接收的物光频谱相乘以得到相应的相乘结果，并将相乘结果输出给二维傅里叶逆变换子模块1222。二维傅里叶逆变换子模块1222用于对各个相乘结果进行二维傅里叶逆变换以得到对应的反衍射物像信息，并输出反衍射物像信息给清晰度计算模块1230。

通过FPGA芯片实现乘法子模块1221和二维傅里叶逆变换子模块1222的流水线式处理，直接将乘法子模块1221输出的相乘结果传入二维傅里叶逆变换子模块1222，不需进行中间结果的存储与读取操作。由此，进一步提高了流水处理的效率，从而进一步提高了图像重建的计算速度，确保了数字全息图像重建的实时处理效果。

图5示出了根据本发明另一个实施例的离轴数字全息图像重建装置5000的示意性框图。如图5所示，装置5000包括包括物光频谱生成模块5100、多个重建评价单元5200、聚焦模块5300以及相位解包裹模块5400。每个重建评价单元5200包括核函数频谱生成模块5210、反衍射模块5220以及清晰度计算模块5230。多个重建评价单元5200分别用于根据不同的衍射距离并行计算对应的反衍射物像信息的清晰度，并输出给聚焦模块5300。其中，物光频谱生成模块5100、重建评价单元5200以及相位解包裹模块5400与物光频谱生成模块1100、重建评价单元1200以及相位解包裹模块1400的电路、数据处理流程以及实现的功能类似，为了简洁，这里不再赘述。可以理解，多个重建评价单元5200中，只需要其中一个重建评价单元5200与相位解包裹模块5400连接。聚焦模块5300从与各个衍射距离分别一一对应的清晰度中确定最优清晰度后，输出与最优清晰度对应的衍射距离给与相位解包裹模块5400连接的重建评价单元5200。该重建评价单元5200输出与最优清晰度对应的反衍射物像信息给相位解包裹模块5400，并根据与最优清晰度对应的反衍射物像信息计算样品的强度图输出。

聚焦模块5300除了用于实现上述聚焦模块1300的功能，还用于把生成的衍射距离逐个分配给各个重建评价单元5200，并自各个重建评价单元5200接收根据各自分配的衍射距离计算得到的清晰度。

本领域技术人员可以理解，装置5000中可以包括的重建评价单元5200的个数取决于FPGA芯片的资源。例如，一个重建评价单元5200需要的资源为15万门逻辑单元，物光频谱生成模块5100、聚焦模块5300以及相位解包裹模块5400统共需要的资源为30万门逻辑单元。则利用有100万门逻辑单元的FPGA芯片，装置5000可以包括4个重建评价单元5200。具体地，4个重建评价单元5200分别为0、1、2、3号，聚焦模块5300可以把生成的第0、4、……、4i个衍射距离分配给0号重建评价单元52000，把第1、5、……、4i+1个衍射距离分配给1号重建评价单元5200，把第2、6、……、4i+2个衍射距离分配给2号重建评价单元5200，把第3、7、……、4i+3个衍射距离分配给3号重建评价单元5200。聚焦模块5300自0、1、2、3号重建评价单元5200接收根据各自分配的衍射距离计算得到的清晰度。由此，针对衍射距离的搜索计算提高了4倍速度。

上述技术方案通过多个重建评价单元并行处理，从而实现了多倍速度的针对衍射距离的搜索计算，进一步提高了图像重建的计算速度，确保了数字全息图像重建的实时处理效果。

示例性地，上述离轴数字全息图像重建装置包括视频图形阵列(Video GraphicsArray，简称VGA)接口，VGA接口用于输出上述强度图和/或相位图。利用VGA接口，可以和通用显示器连接，从而便于查看样品的强度图和/或相位图。

图6示出了根据本发明一个实施例的离轴数字全息显微成像系统6000的示意性框图。如图6所示，系统6000包括顺次连接的光路装置6100、离轴数字全息图像重建装置6200以及显示器6300。其中，光路装置6100用于生成并输出样品的全息图像给离轴数字全息图像重建装置6200。离轴数字全息图像重建装置6200可以是上述任一种离轴数字全息图像重建装置。显示器6300用于自离轴数字全息图像重建装置5300接收并显示样品的强度图和/或相位图。

利用上述通过FPGA芯片实现的离轴数字全息图像重建装置，基于图像重建过程中各计算模块的时序关系进行流水处理和并行处理，极大提高了图像重建的计算速度，从而确保了离轴数字全息显微成像系统的实时观察效果。另一方面，利用基于FPGA芯片实现的离轴数字全息图像重建装置，可以克服当前数字全息显微成像系统设备庞大的问题，提升了系统的便携性。

图7示出了根据本发明另一个实施例的离轴数字全息显微成像系统的示意图。如图7所示，系统7000包括顺次连接的光路装置7100、离轴数字全息图像重建装置7200以及显示器7300。其中，离轴数字全息图像重建装置7200以及显示器7300与上述离轴数字全息图像重建装置6200以及显示器6300的结构、功能一致，为了简洁，不再赘述。

光路装置7100包括激光光源7101、空间滤波器7102、第一双胶合透镜7103、孔径光阑7104、分光棱镜7105、反射镜7106、第二双胶合透镜7107、物镜7108、载物台7109以及光敏图像传感器7110。激光光源7101发出激光后，经过空间滤波器7102去除杂散光，然后通过第一双胶合透镜7103进行扩束并调整位置使出射光成为平行光，再光经过孔径光阑7104产生一定大小的规则圆形平行光。平行光束通过分光棱镜7105分为两个光束：参考光和物光。参考光照到反射镜7106上并且通过分光棱镜7105照到光敏图像传感器7110表面上。物光通过第二双胶合透镜7107和物镜7108形成平行光照射到样品上，然后同样反射经过分光棱镜7105照射到光敏图像传感器7110上。参考光和物光在光敏图像传感器7110表面上产生干涉条纹，并且被光敏图像传感器7110的感光区域所记录，生成样品的全息图像输出给离轴数字全息图像重建装置7200。用于实现离轴数字全息图像重建装置7200的FPGA芯片还可以用于对整个系统7000进行控制，如对图像的采集、图像的显示以及数据存储进行控制。

利用上述通过FPGA芯片实现的离轴数字全息图像重建装置，基于图像重建过程中各计算模块的时序关系进行流水处理和并行处理，极大提高了图像重建的计算速度，从而确保了离轴数字全息显微成像系统的实时观察效果。另一方面，利用基于FPGA芯片实现的离轴数字全息图像重建装置，可以克服当前数字全息显微成像系统设备庞大的问题，提升了系统的便携性。

根据本发明另一方面，提出了一种离轴数字全息图像重建方法。该方法包括：

步骤S10，根据样品的全息图像生成物光频谱。

步骤S20，在衍射距离搜索范围内、基于搜索步长逐个生成衍射距离，针对每个衍射距离执行以下子步骤S21、子步骤S22以及子步骤S23。

子步骤S21，根据该衍射距离生成对应的核函数频谱。

子步骤S22，根据子步骤S21生成的核函数频谱和步骤S10生成的物光频谱生成对应的反衍射物像信息。

子步骤S23，计算子步骤S22生成的反衍射物像信息的清晰度。

步骤S30，从与各个衍射距离分别一一对应的清晰度中确定最优清晰度，进而确定与该最优清晰度对应的衍射距离。

步骤S40，根据与步骤S30确定的最优清晰度对应的衍射距离，重复子步骤S21和子步骤S22生成最优反衍射物像信息。

步骤S50，对步骤S40生成的最优反衍射物像信息进行相位解包裹计算以得到样品的相位图。

步骤S60，根据步骤S40生成的最优反衍射物像信息计算样品的强度图。

其中，在针对与第N个衍射距离对应的反衍射物像信息执行子步骤S23时，针对与第N+1个衍射距离对应的核函数频谱执行子步骤S22，针对第N+2个衍射距离执行子步骤S21，N为正整数。

上述离轴数字全息图像重建方法可以用于前述离轴数字全息图像重建装置。本领域普通技术人员通过前述关于离轴数字全息图像重建装置的描述，可以理解该离轴数字全息图像重建方法的各个步骤的具体实现和技术效果。为了简洁，在此不再赘述。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的图像识别装置中的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种离轴数字全息图像重建装置，其特征在于，所述装置利用现场可编程门阵列芯片实现，所述装置包括物光频谱生成模块、重建评价单元、聚焦模块以及相位解包裹模块，其中，所述重建评价单元包括核函数频谱生成模块、反衍射模块以及清晰度计算模块，

所述物光频谱生成模块用于接收样品的全息图像，根据所述全息图像生成物光频谱，并输出所述物光频谱给所述反衍射模块；

所述核函数频谱生成模块用于根据各个衍射距离逐个生成对应的核函数频谱，并输出所述核函数频谱给所述反衍射模块；

所述反衍射模块用于根据各个核函数频谱和所述物光频谱逐个生成对应的反衍射物像信息，输出所述反衍射物像信息给所述清晰度计算模块；并且根据与最优清晰度对应的反衍射物像信息计算并输出所述样品的强度图；

所述清晰度计算模块用于逐个计算所述反衍射物像信息的清晰度，并输出所述清晰度给所述聚焦模块；

所述聚焦模块用于在衍射距离搜索范围内、基于搜索步长逐个生成衍射距离并输出给所述核函数频谱生成模块；并且从与各个衍射距离分别一一对应的清晰度中确定所述最优清晰度，进而确定并输出与所述最优清晰度对应的衍射距离给所述核函数频谱生成模块；

所述相位解包裹模块用于对与所述最优清晰度对应的反衍射物像信息进行相位解包裹计算以得到并输出所述样品的相位图；

其中，利用所述现场可编程门阵列芯片的硬件流水设计和并行处理机制，在所述清晰度计算模块计算与第N个衍射距离对应的反衍射物像信息的清晰度时，所述反衍射模块根据与第N+1个衍射距离对应的核函数频谱和所述物光频谱生成对应的反衍射物像信息，所述核函数频谱生成模块根据第N+2个衍射距离生成对应的核函数频谱，N为正整数。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述重建评价单元是多个，分别用于根据不同的衍射距离并行计算对应的反衍射物像信息的清晰度，并输出给所述聚焦模块。

3.如权利要求1或2所述装置，其特征在于，所述核函数频谱生成模块包括核函数生成子模块和核函数二维傅里叶变换子模块，

所述核函数生成子模块用于根据各个衍射距离生成对应的卷积核函数，并输出所述卷积核函数给所述核函数二维傅里叶变换子模块；

所述核函数二维傅里叶变换子模块用于对各个卷积核函数进行二维傅里叶变换以得到对应的核函数频谱，并输出所述核函数频谱给所述反衍射模块。

4.如权利要求3所述装置，其特征在于，所述核函数生成子模块包括第一存储器，所述第一存储器用于预存与生成所述卷积核函数相关的固定参数。

5.如权利要求1或2所述装置，其特征在于，所述物光频谱生成模块包括全息图二维傅里叶变换子模块和频谱移动子模块，

所述全息图二维傅里叶变换子模块用于接收所述全息图像，对所述全息图像进行二维傅里叶变换以得到图像频谱，并输出所述图像频谱给所述频谱移动子模块；

所述频谱移动子模块用于根据光路参数对所述图像频谱进行频谱移动以得到所述物光频谱，并输出所述物光频谱给所述反衍射模块。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述频谱移动子模块包括第二存储器，所述第二存储器用于预存所述光路参数。

7.如权利要求1或2所述装置，其特征在于，所述反衍射模块包括乘法子模块和二维傅里叶逆变换子模块，

所述乘法子模块用于将各个核函数频谱分别和所述物光频谱相乘以得到相应的相乘结果，并将所述相乘结果输出给所述二维傅里叶逆变换子模块；

所述二维傅里叶逆变换子模块用于对各个相乘结果进行二维傅里叶逆变换以得到对应的反衍射物像信息，并输出所述反衍射物像信息给所述清晰度计算模块。

8.如权利要求1或2所述装置，其特征在于，所述装置包括视频图形阵列接口，所述视频图形阵列接口用于输出所述强度图和/或所述相位图。

9.一种离轴数字全息显微成像系统，其特征在于，包括光路装置、如权利要求1至8任一项所述的离轴数字全息图像重建装置以及显示器，其中，所述光路装置、所述离轴数字全息图像重建装置以及所述显示器顺次连接；

所述光路装置用于生成并输出样品的全息图像给所述离轴数字全息图像重建装置；

所述显示器用于自所述离轴数字全息图像重建装置接收并显示所述样品的强度图和/或相位图。

10.如权利要求9所述系统，其特征在于，所述光路装置包括激光光源、空间滤波器、第一双胶合透镜、孔径光阑、分光棱镜、反射镜、第二双胶合透镜、物镜、载物台以及光敏图像传感器。

11.一种离轴数字全息图像重建方法，包括：

步骤S10，根据样品的全息图像生成物光频谱；

步骤S20，在衍射距离搜索范围内、基于搜索步长逐个生成衍射距离，针对每个衍射距离执行以下子步骤：

子步骤S21，根据该衍射距离生成对应的核函数频谱；

子步骤S22，根据所述对应的核函数频谱和所述物光频谱生成对应的反衍射物像信息；

子步骤S23，计算所述对应的反衍射物像信息的清晰度；

步骤S30，从与各个衍射距离分别一一对应的清晰度中确定最优清晰度，进而确定与所述最优清晰度对应的衍射距离；

步骤S40，根据与所述最优清晰度对应的衍射距离，重复子步骤S21和子步骤S22生成最优反衍射物像信息；

步骤S50，对所述最优反衍射物像信息进行相位解包裹计算以得到所述样品的相位图；

步骤S60，根据所述最优反衍射物像信息计算所述样品的强度图；

其中，在针对与第N个衍射距离对应的反衍射物像信息执行子步骤S23时，针对与第N+1个衍射距离对应的核函数频谱执行子步骤S22，针对第N+2个衍射距离执行子步骤S21，N为正整数。

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