CN111458858A - 一种超分辨率同轴数字全息显微成像系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超分辨率同轴数字全息显微成像系统与方法，其特征在于：沿光路方向包括光源、变焦透镜、物镜、和摄像器件；通过先后改变变焦透镜的控制电压，控制变焦透镜焦距发生微小改变，从而产生一系列亚像素位移的低分率全息图，并由摄像器件依次记录，最后利用超分辨重构算法对低分率全息图进行超分辨重构。本发明将变焦透镜引入到同轴数字全息成像中，成像过程不需精密的机械位移设备，具有快速和稳定的优势，同时结合超分辨率重构算法可以突破摄像器件分辨率的限制，实现超分辨率成像。

Description

一种超分辨率同轴数字全息显微成像系统与方法

技术领域

本发明属于数字全息显微成像领域，具体涉及一种超分辨率同轴数字全息显微系统与方法。

背景技术

数字全息(Digital Holography)是一种新型的成像方法，通过光电探测器件CCD/CMOS取代传统的干板记录全息图，利用计算机对记录的全息图进行衍射再现，可以得到被测物体的强度和相位信息，进而实现数字三维成像，具有无损伤、快速、实时三维测量等优势，在精密制造、生物医疗等诸多领域得到了越来越广泛的应用。

为了降低硬件成本和简化光路结构，同时充分利用光电探测器件的空间带宽，无透镜同轴全息显微光路应用越来越广泛。然而光电探测器件CCD/CMOS由于受像素尺寸限制，其分辨能力通常比光学全息干板低若干个数量级，且光路系统不可避免产生的像差、畸变、噪声等都会导致图像的退化，使得全息图的分辨率低下，限制了其对微纳结构物体的检测。因此，提高无透镜同轴全息显微成像技术的再现像分辨率变得非常重要。目前通用的提高数字全息再现像分辨率的方法有两种：第一种从频域上考虑，根据傅里叶变换的频谱混叠原理，采用多角度照明获取多帧图像进行重建，但是该方法所考虑的运动模型比较狭隘，在具体应用场合很难达到理想效果，而且难以包含先验知识，重建过程容易产生病态方程。第二种从空域中考虑，通过实现亚像素位移得到序列图像，进行超分辨率重建。但是这类方法的最大问题是对机械结构和光源的稳定性要求严格，很难做到实时记录再现。

发明内容

本发明提出了一种超分辨率同轴数字全息显微成像系统与方法，通过快速改变变焦透镜控制电压，产生一系列具有亚像素位移的低分辨率全息图，整个过程无需机械位移运动，可以实现动态微小物体超分辨显微成像，本发明解决了现有空域超分辨成像技术存在机械运动和难以实现动态测量的难题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种超分辨率算法的变焦透镜同轴全息显微系统，其特征在于：沿光路方向依次包括光源、物镜、变焦透镜、和摄像器件。

所述的光源可以是部分相干光源，也可以是强相干光源；

所述的变焦透镜具有通过调节控制电压的大小改变变焦透镜焦距的能力；

所述的摄像器件是CCD或者CMOS二维成像器件。

一种超分辨率同轴数字全息显微成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将物体置于靠近摄像器件的正前方位置，光源发出的光先后经过变焦透镜和物镜后形成一个点光源，点光源照射物体后由于干涉作用形成一副低分辨率全息图，利用摄像器件记录下低分辨率全息图，最后传输到计算机中。通过依次改变变焦透镜的控制电压，控制变焦透镜焦距发生微小改变，使得点光源发生轴向的微小偏移，最后通过摄像器件依次记录一系列低分辨率全息图。

步骤二：利用超分辨率重构算法对上述一系列低分辨全息图进行重构，即可得到一幅高分辨率全息图。所述超分辨率重构算法如下：

典型高分辨率全息图的图像降质模型可以表示为：

Y_k＝D_kH_kF_kX+V_k,k＝1,.....N (1)

其中矩阵X表示高分辨率全息图，Y_k表示降质后的低分辨率全息图，F_k表示低分辨全息图和高分辨率全息图之间的几何运动算子，包括平移旋转等；H_k为模糊矩阵表示图像相对于摄像器件的点扩散函数，D_k表示下采样运算符，V_k表示系统的噪声，N为低分辨率全息图的数目。超分辨图像重建是一个反问题，其过程是病态的。通常采用正则化的方法来约束，使该问题变为良态问题。正则化函数方程如下：

根据p取值的不同，可以分为L₁范数和L₂范数，λ为正则化系数，用于平衡正则项和数据项的作用，当它变大时，重建解趋于光滑，反之则数据拟合误差变小。对公式(2)进行求解即可得到重建的高分辨率全息图。

本发明的有益效果：

本发明将变焦透镜引入到无同轴数字全息成像中，通过改变变焦透镜的控制电压就可以实现低分辨全息图的亚像素位移，成像过程不需精密的机械位移设备，具有快速和稳定的优势，同时结合超分辨率重构算法可以突破摄像器件分辨率的限制，实现超分辨率成像。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明实验效果图。

其中附图标记如下：1-光源，2-光源汇聚系统，3-物体，4-摄像器件，5-变焦透镜，6-物镜。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步详细介绍本发明。

本发明超分辨率同轴数字全息显微系统结构示意图，如图1所示，沿光路方向依次包括光源1、物镜6、变焦透镜5、和摄像器件4；本发明所包含的部件特点如下：

1)光源1可以是部分相干光源，例如LED，也可以是强相干光源，例如激光。

2)变焦透镜5的焦距改变是通过调节控制电压的大小来实现。

3)摄像器件4为是CCD或者CMOS二维成像器件。

4)物镜6是高倍率消像差显微物镜，例如20X平场消像差显微物镜。

本发明超分辨率同轴数字全息显微成像方法具体步骤如下：

步骤一：光源1经过由变焦透镜5和物镜6组成的光源汇聚系统2后变成点光源；光波经过15cm空间自由传播后照射到物体3，物体3是美国空军标准分辨率(USAF)样板，其中物体3和摄像器件4间距是1mm，光源1经过物体3后发生干涉，最后形成的低分辨率全息图被摄像器件4记录并保持到计算机中。为获得多幅低分辨率全息图，通过依次改变变焦透镜5的控制电压值N次，使光源1经过变焦透镜5和物镜6后的点光源先后发生轴向微小移动N次，最终得到一组包含N幅低分率全息图，通常N取30。

步骤二：利用超分辨率重构算法对上述N幅低分辨全息图进行重构，即可得到一幅高分辨率全息图。考虑到收敛精度和迭代速度，实施列使用的是基于L₁范数和TV正则化的方法进行低分辨率全息图像序列的超分辨重建，具体的表达式如下：

式中X_u和X_v是图像X在点(u,v)处沿水平和垂直方向上的一阶偏导数，α是一个可调参数。进过简单几何变形，最小化问题就转化为求解Euler-Lagrange方程：

在公式(4)的最小化问题求解中，本实施列采用最速下降法进行求解：

式中β是一个标量，定义梯度方向的迭代步长，

图2是本发明超分辨率同轴数字全息显微系统与方法的实验结果图，物体3是美国空军标准分辨率(USAF)样板，图2(a)是本方法的系统采集到的一帧低分辨率全息图得到的再现像光强，图2(b)是经过本发明方法得到的超分辨率再现像光强信息，从图中我们可以看出，经过处理后的超分辨率再现像光强可以分辨更加清晰的细节信息，分辨能力从美国空军标准分辨率(USAF)样板的第六组第3行提升到第七组的第3行。实验表明，本发明结构简单，且具有超分辨率成像的能力，极大的拓展了同轴全息显微的应用范围。

尽管特定参考实施例详细的描述了本发明，但在此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在不脱离本发明的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型例或修改例。

Claims (4)

1.一种超分辨率同轴数字全息显微成像系统，其特征在于该系统包括光源、物镜、变焦透镜、和摄像器件。

2.根据权利要求1所述的超分辨率同轴数字全息显微成像系统，其特征在于所述光源可以是相干光源，也可以是部分相干光源，可选波长范围为405nm<λ<760nm。

3.根据权利要求1所述的超分辨率同轴数字全息显微成像系统，其特征在于所述的变焦透镜可以通过改变控制电压来改变焦距大小。

4.一种超分辨率同轴数字全息显微成像方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将物体置于靠近摄像器件的正前方位置，光源发出的光先后经过变焦透镜和物镜后形成一个点光源，点光源照射物体后由于干涉作用形成一副低分辨率全息图，利用摄像器件记录下低分辨率全息图，最后传输到计算机中。通过先后改变变焦透镜的控制电压，控制变焦透镜焦距发生微小改变，进而使得点光源发生轴向的微小偏移，最后通过摄像器件依次记录一系列低分辨率全息图。

步骤二：利用超分辨率重构算法对上述一系列低分辨全息图进行重构，即可得到一幅高分辨率全息图。所述超分辨率重构算法具体操作如下：

典型高分辨率全息图的图像降质模型可以表示为：

Y_k＝D_kH_kF_kX+V_k,k＝1,.....N (1)

其中矩阵X表示高分辨率全息图，Y_k表示降质后的低分辨率全息图，F_k表示低分辨全息图和高分辨率全息图之间的几何运动算子，包括平移旋转等；H_k为模糊矩阵表示图像相对于摄像器件的点扩散函数，D_k表示下采样运算符，V_k表示系统的噪声，N为低分辨率全息图的数目。超分辨图像重建是一个反问题，其过程是病态的。通常采用正则化的方法来约束，使该问题变为良态问题。正则化函数方程如下：

根据p取值的不同，可以分为L₁范数和L₂范数，λ为正则化系数，用于平衡正则项和数据项的作用，当它变大时，重建解趋于光滑，反之则数据拟合误差变小。对公式(2)进行求解即可得到重建的高分辨率全息图。

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