科创中国
一种全息层析三维显微镜
成果类型：: 发明专利
发布时间: 2023-09-26 17:05:09
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：天津市滨海新区| 宋学姮 | 2023-10-10 12:07:09
本申请公开了一种全息层析三维显微镜，包括：全息光路以及FPGA模块；全息光路包括光源和光学传感器，光源用于产生光束，一部分光束经过观测对象得到物光，另一部分光束作为参考光，物光和参考光叠加发生干涉，生成干涉条纹，光学传感器记录干涉条纹得到全息图像；FPGA模块包括全息重建单元以及层析三维重建单元；全息重建单元使用衍射传播算法将全息图像重建成幅度图和相位图；层析三维重建单元使用层析重建算法根据幅度图和相位图进行层析三维重建，得到三维图像。相较于现有技术中利用计算机进行三维重建，本申请利用FPGA实现基于全息图像进行三维重建，解决了相关技术中存在的全息显微镜重建速度慢、体积大、功耗高的问题。
权利要求
1.一种全息层析三维显微镜，其特征在于，包括：全息光路以及FPGA模块；
所述全息光路包括光源和光学传感器，所述光源用于产生光束，一部分所述光束经过观测对象得到物光，另一部分所述光束作为参考光，所述物光和所述参考光叠加发生干涉，生成干涉条纹，光学传感器记录所述干涉条纹得到所述观测对象的全息图像；
所述FPGA模块包括全息重建单元和层析三维重建单元；所述全息重建单元使用衍射传播算法将所述全息图像重建成幅度图和相位图；所述层析三维重建单元使用层析重建算法根据所述幅度图和相位图对所述观测对象进行层析三维重建，得到所述观测对象的三维图像。
2.如权利要求1所述的全息层析三维显微镜，其特征在于，所述全息重建单元包括变换子单元；
所述变换子单元，用于对所述全息图像进行傅里叶正变换，得到完成傅里叶正变换的所述全息图像；对完成傅里叶正变换的所述全息图像进行傅里叶逆变换，得到各投影角度的所述幅度图。
3.如权利要求2所述的全息层析三维显微镜，其特征在于，所述层析三维重建单元包括数据索引单元、滤波单元和插值反投影单元；
显微镜是生命科学等领域常见的工具，有广泛的应用，例如活细胞成像。目前大多显微镜是激光共聚焦三维显微镜，激光共聚焦三维显微镜需要逐点逐面扫描，耗时费力效率低，且在进行活细胞成像时通常需要将细胞染色标记再观察，对活细胞成像并不友好。
数字全息显微镜避免了激光共聚焦显微镜的逐点逐面扫描、需要细胞染色标记的缺点，提高了成像效率，在观测活细胞时不需要将细胞染色标记。但全息显微镜需要利用计算机重建，重建速度会受到计算机的限制，此外全息显微镜一般都配备有一个体积较大的主机，导致体积偏大。
由上可见，相关技术中存在全息显微镜重建速度慢、体积大的问题。
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全息光路生成并记录观测对象的全息图像，全息图像经过FPGA高速接口传输至FPGA，之后利用FPGA基于全息图像进行全息层析重建，得到观测对象的三维图像。全息层析三维重建领域中涉及的计算本质是图像处理，并且层析重建会对不同二维截面进行相同操作；而FPGA在图像处理领域具有广泛的应用，并且具有并行流水处理能力，利用FPGA就能极大加速层析三维重建，此外FPGA相较于计算机具有体积小的优势。
综上，相较于现有技术中利用计算机实现基于全息图像进行三维重建，本申请利用FPGA实现基于全息图像进行三维重建，解决了相关技术中存在的全息显微镜重建速度慢、体积大的问题。
技术合作
使得该计算机设备执行上述各实施例中的三维图像生成方法。
凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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