【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于全息显微成像领域，尤其是涉及一种高速四维压缩全息显微成像装置及方法。
技术介绍
1、当前，全息显微成像是微纳芯片加工检测、生物样本的识别和定位、医学检查、工业检测等高端计算成像装备的重要组成部分，也是国防与民生成像需求的重要组成之一。
2、如公开号为cn116400575a的中国专利文献公开了一种多模态数字全息显微成像装置，光源发出的光束经准直透镜后准直传播，经过第一半波片后被偏振立方分束棱镜分为透射和反射两束光路。通过控制挡板和空间光调制器分别对光束传播路径和物体信息进行调控，从而实现同轴全息、离轴全息和明场、暗场四种成像模式的切换。
3、公开号为cn116755313a的中国专利文献公开了一种基于数字全息显微的高分辨成像方法，通过在数字全息显微系统中加入小孔结构(圆孔中心在光轴上，位于被测微结构和显微物镜之间，圆孔直径为1mm)，利用小孔结构的成像特点，提高光收集效率，优化像差，实现高分辨远场成像。
4、但是，分辨率、视场、帧率、有效像素数等参数是评估全息成像系统性能的重要指标，受工艺水平的发展，各项指标间的矛盾点开始凸显。比如分辨率和视场的冲突，在有限的像元数量下，分辨率和视场往往不能兼顾，看清全貌和看清细节难以兼得，又比如有效像素数和帧率的冲突，由于有限的传输带宽，图像的采集帧率和像素数量亦无法兼顾。因此，通过对图片压缩降低内存同时提高全息显微成像速度来实现高速压缩全息显微成像观测已逐渐成为研究热点。
5、目前，高速全息显微成像装置种类繁多，为了实现对高动态范
6、综上所述，开发一种高速四维压缩全息显微成像装置和方法具有深远的意义，将在科学、技术和产业领域带来积极的影响。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种高速四维压缩全息显微成像装置及方法，能够有效地管理和存储为了重建高质量全息图所必需的大量数据，在低数据带宽情况下捕捉高动态范围物体。
2、一种高速四维压缩全息显微成像装置，包括光源扩束模块、物光路形成模块、参考光路形成模块和全息时域压缩编码解码模块；
3、其中，光源扩束模块包含氦氖激光器、第一平凸透镜、第二平凸透镜；光源由氦氖激光器发出的光源经过第一平凸透镜、第二平凸透镜扩束，得到扩束后的相干光源；
4、物光路形成模块包含第一分束镜、第一反光镜、第一衰减片、第二分束镜、显微物镜和电动平移台；电动平移台用于控制物体移动；相干光源经第一分束镜分成两束，其中一束光进入物光路形成模块，得到携带物体表面信息的物光，经第二分束镜反射后输出；
5、参考光路形成模块包含第一分束镜、第二衰减片、第二反光镜和第二分束镜；相干光源经第一分束镜分成两束，其中另一束光先经第二衰减片衰减，再经第二反光镜反射，最后透过第二分束镜后与物光路形成模块输出的物光干涉形成全息面；
6、全息时域压缩编码解码模块包含第三平凸透镜、第四平凸透镜、数字微镜器件、远心镜头、相机和电脑；全息面经过第三平凸透镜与第四平凸透镜扩束，得到扩束后的全息面；之后经由数字微镜器件编码，再经过远心镜头被相机接收；电脑用于解码恢复全息视频流，通过对每张全息图再经过滤波、解包裹算法得到物体表面的三维信息，并根据视频流的对应时刻得到物体的时空信息，进而实现高速四维压缩全息显微成像。
7、可选择地，物光路形成模块可用于反射型物体或透射型物体。
8、对于反射型物体，相干光源经第一分束镜分成两束，其中一束光经反光镜反射，衰减片衰减，再通过第二分束镜进入显微物镜，照在物体表面，携带物体表面信息的物光经第二分束镜反射，与参考光干涉形成全息面。
9、对于透射型物体，相干光源经第一分束镜分成两束，其中一束光经反光镜反射，衰减片衰减，透过物体进入显微物镜，携带物体表面信息的物光经第二分束镜反射，与参考光干涉形成全息面。
10、进一步地，电动平移台用于控制物体移动进而提供物体不同时刻的位置信息；数字微镜器件在相机采集一张图片的曝光时间内更新多次编码方式，进而相机采集的一张测量值包含多张不同时刻不同位置的物体全息图。
11、本专利技术还提供了一种高速四维压缩全息显微成像方法，使用上述高速四维压缩全息显微成像装置，包括以下步骤：
12、光源扩束模块输出扩束后的相干光源，经第一分束镜分光，两个光束分别进入物光路形成模块和参考光路形成模块；
13、进入物光路形成模块的光束经过物平面后与参考光路形成模块形成的参考光束干涉，得到全息记录面；
14、全息记录面经数字微镜器件编码，得到全息编码面；
15、在物体运动不同时刻，多张全息记录面通过不同编码矩阵压缩为一张测量值被相机采集；通过输入不同编码方式，采集的测量值解码为不同时刻的多张全息图；通过滤波、解包裹算法进而从多张全息图中得到不同时刻运动物体的三维形貌，实现高速四维压缩全息显微成像。
16、进一步地，相机采集的一张测量值y由t帧全息记录面编码压缩得到，每帧包含n个像素，这个过程表示为：
17、
18、其中，mt∈rn×nt为感知矩阵，ut∈rnt是真实的信息值，g∈rn是噪声，⊙表示哈达码点乘，在第t帧场景下，设其中一个像素点的位置是(i，j),此位置的测量值表示为:
19、
20、式中，yi,j表示在像素点(i，j)处的测量值，ui,j,t表示在像素点(i，j)处第t帧接收到全息图的真实信息，mi,j,t表示在像素点(i，j)处第t帧的编码状态，gi,j表示在像素点(i，j)处第t帧的噪声量。
21、进一步地，采集的测量值解码为不同时刻的多张全息图具体为：
22、已知测量值y求解真实信息值u，设置正则化项r(x)作为先验，在得到接近真实值u的估计值时，采用以下求解方程：
23、
24、其中，λ是平衡保真项和正则项的r(x)的参数，进而实现解码，得到t张全息图。
25、进一步地，通过滤波、解包裹算法进而从多张全息图中得到不同时刻运动物体的三维形貌，实现高速四维压缩全息显微成像具体为：
26、每帧全息图的光场强度为：
27、|ut|2＝r2+o2+ro*+or*
28、式中，|ut|2是全息面的光场强度、r表示参考光，o是携带物体信息的物光。
29、通过对第t帧进行傅里叶变本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高速四维压缩全息显微成像装置，其特征在于，包括光源扩束模块、物光路形成模块、参考光路形成模块和全息时域压缩编码解码模块；
2.根据权利要求1所述的高速四维压缩全息显微成像装置，其特征在于，物光路形成模块中，对于反射型物体，相干光源经第一分束镜(4)分成两束，其中一束光经反光镜(5)反射，衰减片(6)衰减，再通过第二分束镜(7)进入显微物镜(8)，照在物体(9)表面，携带物体表面信息的物光经第二分束镜(7)反射，与参考光干涉形成全息面。
3.根据权利要求1所述的高速四维压缩全息显微成像装置，其特征在于，物光路形成模块中，对于透射型物体，相干光源经第一分束镜(4)分成两束，其中一束光经反光镜(5)反射，衰减片(6)衰减，透过物体(9)进入显微物镜(8)，携带物体表面信息的物光经第二分束镜(7)反射，与参考光干涉形成全息面。
4.根据权利要求1所述的高速四维压缩全息显微成像装置，其特征在于，电动平移台(10)用于控制物体(9)移动进而提供物体(9)不同时刻的位置信息；数字微镜器件(15)在相机(17)采集一张图片的曝光时间内更新多次编码方式，
5.一种高速四维压缩全息显微成像方法，其特征在于，使用权利要求1～4任一项所述的高速四维压缩全息显微成像装置，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的高速四维压缩全息显微成像方法，其特征在于，相机采集的一张测量值Y由T帧全息记录面编码压缩得到，每帧包含n个像素，这个过程表示为：
7.根据权利要求6所述的高速四维压缩全息显微成像方法，其特征在于，采集的测量值解码为不同时刻的多张全息图具体为：
8.根据权利要求7所述的高速四维压缩全息显微成像方法，其特征在于，通过滤波、解包裹算法进而从多张全息图中得到不同时刻运动物体的三维形貌，实现高速四维压缩全息显微成像具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种高速四维压缩全息显微成像装置，其特征在于，包括光源扩束模块、物光路形成模块、参考光路形成模块和全息时域压缩编码解码模块；
2.根据权利要求1所述的高速四维压缩全息显微成像装置，其特征在于，物光路形成模块中，对于反射型物体，相干光源经第一分束镜(4)分成两束，其中一束光经反光镜(5)反射，衰减片(6)衰减，再通过第二分束镜(7)进入显微物镜(8)，照在物体(9)表面，携带物体表面信息的物光经第二分束镜(7)反射，与参考光干涉形成全息面。
3.根据权利要求1所述的高速四维压缩全息显微成像装置，其特征在于，物光路形成模块中，对于透射型物体，相干光源经第一分束镜(4)分成两束，其中一束光经反光镜(5)反射，衰减片(6)衰减，透过物体(9)进入显微物镜(8)，携带物体表面信息的物光经第二分束镜(7)反射，与参考光干涉形成全息面。
4.根据权利要求1所述的高速四维压缩全息显微成像装置，其特征在于，...
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