基于AM335X处理器的便携式数字全息显微系统的制作方法

本发明属于数字全息显微领域，具体涉及采用am335x嵌入式处理平台、led点光源以及cmos图像传感器、lcd液晶显示屏和触摸屏，搭载linux操作系统实现的全息图像记录与再现的移动式数字全息显微系统。

背景技术：

数字全息显微技术是目前新型的显微技术，相较于传统显微技术而言，其具有保存物体信息的特性，便于以后的处理，同时其操作简单的特性也使得其逐步取代传统显微技术。数字全息显微技术是利用光学传感器(cdd或cmos)记录物体的全息图，然后利用计算机模拟光路特性对全息图进行全息重建，从而获得物体原本的强度信息和相位信息，进而获取物体的清晰成像。

目前主流的数字全息技术的光路分为离轴数字全息和同轴数字全息两种：离轴数字全息采用分光镜将物波与参考波进行分离，然后在光学传感器(ccd或cmos)前再进行干涉，从而由光学传感器(ccd或cmos)记录其全息图。由于离轴数字全息的光路比较复杂，因此基本存在于实验室，不能够很好的推广和应用。同轴数字全息则去除了分光镜，使得物波与参考波均沿光路的方向传播，然后被光学传感器(ccd或cmos)记录。对比离轴全息，同轴数字全息光路简单，因此更适合生产生活中的推广使用。

但目前由于全息光路的复杂性和全息重建算法的复杂性，数字全息显微技术基本运行在计算机pc平台，不能很好的携带和使用。

技术实现要素：

为了克服当前数字全息显微技术光路复杂，设备庞大，不利于生产生活中使用的缺点，本发明提出一种基于同轴光路和嵌入式平台的数字全息显微成像系统，该系统能够完全自主运行，不借助外部器件辅助，便于携带和推广。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于am335x处理器的便携式数字全息显微系统，包括光路、电源模块和处理主板；所述处理主板和电源模块连接，所述光路部分是整个系统的采集记录核心，所述光路部分包括：

led部分相干点光源，用于提供全息显微所需要的光源；

100um的微孔，用于配合点光源增加光源的相干性，提高重建效果；

载物平面，用于放置待显微微生物，同时也可用分辨率板代替方便调试光路；

coms图像传感器，用于记录由微生物和参考光干涉形成的全息图，然后将图像数据传输给处理主板进行处理；

所述处理主板是整个系统的处理核心，所述处理主板包括：

coms摄像头模块，用于配合记录全息图数据，其通过usb串行通信总线与微控制器进行通信，将获得的全息图数据传输给微控制器；

微控制器，用于将获取到的数据利用优化后的角谱算法进行处理，得到重建后的显微图，然后通过lcd驱动模块驱动lcd液晶屏显示重建后的结果，同时通过i2c接口驱动触摸屏与用户交互，根据用户的要求继续进行相关处理，实现整个系统与用户的交互。

进一步，所述光路部分中，利用部分相干点光源和100um微孔配合，使用同轴全息光路，实现整个采集光路的微型化，方便用户使用。

再进一步，所述led部分相干红色点光源中，具有部分相干性，同时配合100um微孔增强其相干性，达到其全息图对相干光源的要求，实现更好的重建效果。

更进一步，所述载物平面中，可调节其与cmos图像传感器的距离以及其可以调节载物平面的左右前后位置，实现多重建距离的显微重建和具有更大的重建视场，满足用户的多方面需求。

所述处理主板利用arm嵌入式主板am335x结合嵌入式linux操作系统，实现处理平台的嵌入式化，达到全息显微重建的微型化，实现数字全息显微成像技术的便携化发展。

所述角谱算法利用qt和opencv完成，配合fftw库，实现角谱算法的快速运行，能够运行于嵌入式平台，实现数字全息显微技术的微型化。

lcd液晶屏结合触摸屏的交互方式：实现使用lcd显示屏配合触摸屏实现用户交互的微型化。

全息图采集部分采用1.4um像元尺寸大小的摄像头采集全息图数据，通过usb高速数据总线传输到嵌入式处理平台am335x进行全息图处理。本发明的原理描述：部分相干led光源发出的光通过100um的微型针孔形成球面光，然后球面光照射位于载物平面上的样品上，形成带有物体信息的物光波，同时有直接透过载物平面的参考波，参考波与物光波在光学传感器(cmos)出发生干涉，干涉形成的全息图被光学传感器(cmos)记录下来形成数字信息的全息图，然后数据送到arm嵌入式处理平台，结合linux操作系统和优化后的角谱算法对全息图进行全息显微重建，得到重建后的物体实像，将其通过lcd液晶显示屏进行实时显示，方便用户的直接观察，同时如果用户需要调节一些参数，lcd液晶屏上的电容式触摸屏对相关参数进行交互操作，获得自己想得到的最佳重建效果。同时，用户若想查看样品不同位置的情况，用户可调节样品的位置，可以调节螺旋旋钮进行左右前后的调节，进行全方位的观测。此外，由于本系统采用linux操作系统，开发者可自行开发相应程序，进行对待测样品的浓度，数量等相关统计操作，方便此设备帮助不同用户群体的需求。

本发明提出一种基于嵌入式平台的移动式数字全息显微系统，本系统采用部分相干光led作为光源，利用微孔增加其相干性，cmos传感器芯片作为记录芯片，arm嵌入式平台am335x处理器作为计算中心，光路简单，便于携带，能够很好的在生产生活中使用和推广。该系统彻底离开对计算机(pc)的依赖，利用嵌入式平台自己的计算平台和显示平台去完成数字全息显微的计算与显示，实现真正的移动式数字全息显微系统。

与现有技术对比，本发明有以下优点：

本发明结构轻便，利用全息显微技术在较小的空间实现全息显微成像，具有良好的便携性。本发明一体化设计，消除传统技术对计算机(pc)的依赖，做到真正的便携性、移动性。本发明采用良好的显示交互平台，消除传统技术对外设的依赖，方便人类使用。本发明采用优化后的角谱算法，配合linux系统实现快速全息重建，将传统算法很好的嵌入式化，实现数字全息显微技术的嵌入式化。本发明采用部分相干led光源，配合微孔、光学传感器(cmos)实现，结构简单，元器件普遍，价格低廉，全息显微效果良好，有利于数字全息显微技术在生产生活中的推广与应用。

附图说明

图1是数字全息显微系统光路图。

图2是数字全息显微系统流程图。

图3是移动式数字全息显微系统整体结构示意图。

图4是电路系统设计图。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明。

图1给出此系统的数字全息显微光路图，光路部分主要包括以下几个方面：部分相干光源led1001、100um微孔板1002、透明载物平面1003(也可以是分辨率板)、光学传感器(cmos)模块1004。部分相干光源led发出部分相干光，经过100um微孔后形成球面波，然后一部分穿过样品形成携带样品信息的物光波，同时另一部分不穿过样品作为参考波，物光波和参考波在光学传感器(cmos)上发生干涉，光学传感器(cmos)记录其干涉信息(也就是物体的全息图)，经过光学传感器模块的转换，转换成数字信号后由usb总线4004输入到语气相连的arm嵌入式平台主板4000，结合linux系统和优化后的角谱算法对数字信号进行处理，进而得到样品的强度信息和相位信息，最后再通过lcd信号总线4009将重建结果显示在lcd4002液晶屏上，若需要得到样品的数量，密度等信息，开发者可开发相关应用直接得到相关信息。

整体系统采用部分相干led光源、100um微型针孔、载物平面、光学传感器(cmos)、嵌入式平台主板、lcd液晶屏和电容式触摸屏显示交互平台以及外部保护装置等几部分构成。

(1)部分相干led光源：市面上大部分光源均为部分相干led光源，相较于激光光源具有价格低廉的特点，同时由于激光光源会产生大量散斑，需要系统中进行算法的处理，对于嵌入式平台来说，需要的系统资源过大，因此本系统采用部分相干led光源和100um的微孔达到相干的效果，既节约成本又节省系统资源，适用于嵌入式平台，具有良好的便携性。

(2)100um微孔：由于部分相干光效果不理想，本系统提出采用微孔增加光源的相干性，对比激光，可以很好的消除散斑，节省系统资源，同时使得光源的选择具有很大的冗余性，适用于各种不同情况下的数字全息显微识别。

(3)载物平面：载物平面采用透明玻璃配和螺旋转动旋钮实现，可抽拉式，在更换显微资源时，将载物平面拉出，然后更换后推入即可，操作简便，同时可以通过两个螺旋转动旋钮实现载物平面的左右前后移动，实现多方面的观测，而不是只能显微固定的一部分

(4)光学传感器(cmos)，本系统光学传感器采用800万像素，像素点的大小为1.4um,能够实现微小物体的精准再现。

(5)嵌入式平台主板：本系统采用arm嵌入式处理器am335x平台主板，该平台具有良好的便携性和低功耗特性，配合linux嵌入式操作系统，能够实现整个数字显微成像系统的采集全息图、重建以及再现过程，同时该嵌入式平台主板成本低廉、便于携带更适合生产生活中的推广使用。

(6)显示交互平台：本系统采用集成的lcd液晶屏和电容式触摸屏显示交互平台，不需要借助外界任何装置就能够实现良好的交互，交互逻辑适合人类操作，方便上手、同时便携性大大增加，有利于生产生活中的推广使用。

(7)外部保护装置：外部保护装置采用3d打印塑料构成，采用塑料保护主要是塑料的轻便型，同时能够很好的保护光路不收外界光的干扰，达到良好的重建效果，同时保护内部器件不收损坏，由于塑料的轻便型，使整个系统有更好的便携性。

图2为数字全息显微系统流程图，系统运行流程如图所示，当系统开启后，系统根据初始情况进行相关初始化，初始化中主要包括为准备重建需要计算的重建二维数组，然后开始采集由光学传感器(cmos)接收到的全息图信息，图像信息由usb传输给arm嵌入式平台进行全息重建处理，处理后根据要求看是否进一步进行浓度、数量等统计信息，如要求处理，则继续进行处理，否则由lcd显示处理后的显微图，之后接受用户交互输入，对用户的要求进一步进行处理，若无用户输入则重复前面的操作实时显示重建后的显微图，最后根据结束按钮判断是否系统结束。

图3移动式数字全息显微系统整体外观结构示意图，整个系统主要由图中几个部分构成，顶端为led点光源3001和100um微孔3002组成的同轴全息光路部分，图中3003为载物片，3004为图像传感器，主要是采集载物片上物体的全息图，3005为嵌入式处理器主板，配合3006usb串行数据总线获取3004传输过来的全息图数据，然后再进行全息重建处理。3009为触摸屏和3010lcd显示屏共同组成了显示交互系统，其中3007为lcd总线，完成嵌入式处理器3005到lcd显示屏3010上的显示输出。3008为i2c总线，完成嵌入式处理器3005与触摸屏3009之间的数据传输。整个装置体积较小，方便携带，具有良好的便携性。

图4为本发明电路系统设计图，图中4003为与图1中1001对应的led点光源，配合图一中的微孔1002实现相干光的产生。图中4001为与图1中1004对应的光学传感器(cmos)模组，通过图中4004usb高速串行总线与arm嵌入式处理器平台相连，将获取到的全息图像数据传输给arm嵌入式处理器平台，arm嵌入式处理器平台4000对全息图数据通过优化后的角谱算法进行相应的处理，得到显微图，然后经过lcd并行数据总线4009送给lcd液晶显示屏4002进行显示，同时电容式触摸屏4006与用户进行交互，获取用户输入，同样经过i2c通信总线4010送给arm嵌入式处理器平台处理，实现与用户的实时交互。同时提供用户调试接口4007方便调试工作，以及开发者的二次开发。

针对当前实验室数字全息显微技术的光路复杂，价格昂贵的问题：本发明提出采用同轴数字全息光路，此光路可以很好的解决光路复杂、难以搭建、难以微型化的问题，同时本系统采用部分相干led作为光源，采用微孔增加其相干性，达到全息记录所要求的相干性光，由于部分相干led价格低廉，因此可以很好的控制设备成本，便于推广使用。

针对传统数字全息显微技术依赖于计算机(pc)平台的问题：(1)本发明提出采用优化后的角谱算法作为全息重建算法。目前主流的全息重建算法主要有三种：菲涅尔重建算法、卷积重建算法、角谱重建算法，由于全息重建需要较大的计算量，因此目前这几种算法基本存在于计算机(pc)平台。菲涅尔重建算法只需一次傅里叶变换，重建速度较快，但算法中采取菲涅尔近似，故存在限制，不适用于重建距离较小的情况。卷积算法重建过程中需要三次傅里叶变换，重建时间较长，且横向分辨率会随着重建距离的增加而下降。角谱算法重建过程中需一次傅里叶变换与一次傅里叶逆变换，重建速度适中。并且该算法适用范围广，在各种不同距离的衍射都能起到较好的效果。故在本系统中采用了优化后的角谱算法进行重构。并且对其在速度方面进行了优化，采用fftw库来进行傅里叶变换，加快了傅里叶变换及逆变换的速度。使其在嵌入式平台也有很好的重建效果和重建速度。从而实现不依赖传统计算平台(pc)，使其便携化。(2)针对计算机(pc)平台的不便携性，本发明提出基于linux系统的数字全息显微软件系统，该系统基于嵌入式处理器平台，具有usb串行数据总线接口、lcd总线接口模块、lcd液晶显示屏、i2c接口、lcd触摸屏、uart通信接、led光源驱动模块等，该系统驱动usb获取cmos的全息图数据，然后利用linux平台算法对获取到的全息图进行显微重建，将重建结果在lcd液晶显示屏上显示，同时配合触摸屏完成用户进一步的操作交互，实现完全嵌入式化的操作，无需借助外部装置，实现真正的便携性。

针对传统数字全息显微系统以来外部显示器和输入装置的问题：本发明提出一种基于嵌入式lcd液晶屏显示和触摸屏输入的用户交互方案，lcd液晶屏和电容式触摸屏直接连接在嵌入式平台上，方便用户的操作，无需借助外界任务装置，实现整个数字显微成像系统的便携化。

本发明在多个方向上实现创新，彻底去除传统数字全息显微对外部设备(如计算机、键盘、鼠标等)的依赖，完全实现独立性，同时该装置采取简单实用的光路，优化后的重建算法，使得其在linux嵌入式平台依然有很好的重建效果。同时器件价格低廉，整个系统便于携带，便于数字全息显微系统的推广与实用。