[发明专利]一种超分辨率同轴数字全息显微成像系统与方法

说明书

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。

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)