[发明专利]一种无透镜同轴数字全息的微颗粒成像系统及方法

权利要求书

1.一种无透镜同轴数字全息的微颗粒成像系统，其特征在于，沿光路方向依次设置光源模块(1)、样本平面(2)、摄像器件(3)、三维位移控制平台(4)、图像处理与信号控制模块(5)；所述光源模块包括光源驱动组件(1001)、阵列光源组件(1002)；

所述摄像器件(3)通过电缆与图像处理与信号控制模块(5)连接；

所述光源驱动组件(1001)、三维位移控制平台(4)与图像处理与信号控制模块(5)通过控制线连接；

所述图像处理与信号控制模块发出信号控制三维位移控制平台，以改变样本平面(2)到摄像器件(3)的距离，获得一系列低分辨率全息图，并由摄像器件(3)记录，最后利用图像处理与信号控制模块实现超分辨重构算法对低分辨全息图重构。

2.根据权利要求1所述的一种无透镜同轴数字全息的微颗粒成像系统，其特征在于，所述光源驱动组件(1001)为单片机，阵列光源组件(1002)为LED光源与微孔组件结合。

3.根据权利要求1所述的一种无透镜同轴数字全息的微颗粒成像系统，其特征在于，所述摄像器件(3)为CCD或CMOS二维成像器件。

4.根据权利要求1所述的一种无透镜同轴数字全息的微颗粒成像系统，其特征在于，所述三维位移控制平台模块(4)包括：步进电机、微控制器、驱动器、xyz运动平台，光电开关；所述微控制器通过驱动器控制步进电机运转，带动xyz运动平台运动；所述光电开关用于限制xyz运动平台运动的运动范围。

5.根据权利要求1所述的一种无透镜同轴数字全息的微颗粒成像系统，其特征在于，所述图像处理与信号控制模块(5)一方面从摄像器件中获取图像信息，并进行处理与重建，最后输出显示；另一方面，图像处理与信号控制模块(5)发出信号控制步进电机的运转，从而调整Z轴上的摄像器件的位置来控制样本平面(2)到摄像器件(3)的距离；另一方面，图像处理与信号控制模块(5)发出信号控制光源驱动组件，使其控制不同波长的光源亮暗；同时，通过调整XY平面上的摄像器件，使得不同波长LED灯垂直于摄像器件平面。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种无透镜同轴数字全息的微颗粒成像系统的微颗粒成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：光源模块(1)发出的光，经过样本平面(2)，一部分光发生散射，另一部分透射穿过样本平面，散射光和透射光在摄像器件(3)的接受面上发生干涉，形成同轴全息图，摄像器件(3)采集原始干涉图像，传输至图像处理与信号控制模块(5)进行存储；

步骤2：通过调整三维位移控制平台(4)的Z轴上的摄像器件(3)的位置，使得样本平面(2)到摄像器件(3)的距离发生改变，通过摄像器件(3)依次记录一系列的低分辨全息图；

步骤3：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，即可得到高分辨率全息图。

步骤4：通过控制驱动光源组件，使光源模块发出不同波长的LED光，重复步骤2到3，获得不同波长的超分辨全息图，消除光源波长的影响。

7.根据权利要求6所述的微颗粒成像方法，其特征在于，所述超分辨率重构算法如下：

通过迭代寻求满足正定性、能量的有界性和光滑等一系列约束的可行解，将每一个约束定义为一个封闭的凸集集合，则图像的解存在于这些凸集的交集中；设凸集的个数为m，迭代选取初始值f₁，由凸集定义的投影算子p₁,p₂…·p_m，则图像重建求解过程转化为的迭代过程表示为：f_m+1＝p_mp_m-1…p₂p₁f₁；通过迭代最后获得满足条件的最优解。

8.根据权利要求7所述的微颗粒成像方法，其特征在于，所述超分辨率重构算法的具体步骤如下：

S1.选择低分辨率图像中的任意一幅进行插值作为基准帧f(i.j)，即高分辨率图像的初始估计值，其它的低分辨率图像则为参考帧；

S2.建立联系初始估计高分辨图像和低分辨率图像序列的退化模型，即：

y_m(x，y)＝∑_(i，j)f(i，j)h_m(x,y；i,j)+μ(x,y) (1)

式中，y_m(x,y))是第m帧低分辨率观测图像；h_m(x,y；i,j)是点扩散函数，表示由高分辨率图像像素点(i,j)降质得到低分辨率图像像素点(x,y)的过程；f(i,j)是高分辨率图像的初始估计；μ(x,y)是加性噪声；

S3.定义凸集C_m(i,j)，对每一帧参考图像(共N-1图像)利用投影算子p投影到高分辨率图像网格(即f)中，修正高分辨率图像的估计值，其投影满足：

S4.根据误差约束计算重建图像的残差σ：

S5.如果残差σ小于设定阈值条件δ，则结束，否则转步骤S3；

S6.对S5中重建的结果进行一次低通滤波，其传递函数为：