[發(fā)明專利]一種大視場高分辨三維衍射層析顯微成像方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711484784.X
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108169173B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設計）人: 左超;李加基;陳錢;孫佳嵩;馮世杰;張玉珍;顧國華;張佳琳;范瑤;丁君義
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

1.一種基于LED陣列照明的大視場高分辨三維傅里葉疊層衍射層析顯微成像方法，其特征在于步驟如下：

步驟一，原始強度圖像采集，將LED光源作為傳統(tǒng)顯微鏡的照明光源，LED面板上的每顆LED依次被點亮，入射光經(jīng)過聚光鏡后從各個不同的入射角下照射樣品，并且在被測的厚樣品為聚焦情況下，由相機在同步觸發(fā)信號下采集一系列不同照明角度下的強度圖像其中某一個位置下采集的光強為

步驟二，根據(jù)LED陣列中每顆LED在空間中的坐標位置計算出在照明系統(tǒng)中每個LED燈對應的入射光的空間頻率k_in＝(k_x,k_y)，其中k_x和k_y分別表示空間頻率在x方向和y方向的分量；

步驟三，初始化被測物體的大視場高分辨三維頻譜三維頻譜矩陣像素個數(shù)分別為N_x,N_y,N_z，且該三維頻譜矩陣滿足每個方向上的最小采樣數(shù)與最終的成像分辨率要求，其中k是指三維頻域變量；

步驟四，三維頻譜迭代重構，將每個照明角度下所拍攝的強度圖像迭代至初始化的三維頻譜中，并進行多輪迭代；

步驟五，迭代得出被測物體的三維頻譜，并將該三維頻譜變換至空間域，最終得到被測的三維物體大視場高分辨的折射率信息分布n(r)，其中r是指三維空間變量；

在步驟四中：當入射光線的空間頻率為k_in＝(k_x,k_y)時，利用傅里葉衍射層析定理公式：

即可得到在某確定入射光空間頻率下，對應的埃瓦爾德球殼上的物體三維頻譜分量；其中為聚焦位置處的被測物體的二維傅里葉頻譜，即為埃瓦爾德球殼的定義函數(shù)，是指三維散射勢頻譜分布，λ為不同介質中的歸一化波長；將三維球殼上的頻譜成分映射至二維頻譜空間中，即可得到在對應入射光角度下的聚焦位置二維復振幅頻譜：

其中為二維散射場的傅里葉變換，j是指虛數(shù)單位值，k_2D為二維頻域變量，為三維頻譜中與入射光線對應的埃瓦爾德球殼上的頻譜分量，k_z定義為投影系數(shù)對于明場圖像來說，所拍攝的總場包含著入射分量與散射分量，而暗場圖像卻只有被物體所散射之后的分量，所以拍攝的強度圖與散射場和入射光線的關系為：

其中I(x_T)為實際所拍攝的強度圖像，U(x_T)為包含散射場U_s(x_T)和入射場U_in(x_T)的總和場，x_T為二維空間變量；

在三維衍射層析成像中，Born近似與Rytov近似方法簡化為：

其中U_b(x_T)表示一階散射場，對上式進行進一步的化簡，對各個變量分別除以入射分量U_in(x_T)，化簡后的公式可得：

其中U_BN(x_T)，U_SN (x_T)和U_N(x_T)分別表示經(jīng)由入射光場歸一化之后的一階散射場，散射場和測量的總場，即可表示為和故可以分別得到在Born近似和Rytov近似下所測量的明場和暗場的情況下，總場與一階散射場之間關系的表達式：

對于Born近似

對于Rytov近似

利用上述關系可以分別得到在Born近似和Rytov近似下將所拍攝的強度圖像迭代至二維一階散射場中的公式為：

對于Born近似

對于Rytov近似

其中為原始估計的一階散射場，為迭代更新光強信息之后的散射場，為實際拍攝的強度圖像，系數(shù)α作為調節(jié)項可加快收斂速度減小噪聲影響；

再對進行二維傅里葉變換得到將由強度收斂之后的一階散射勢的傅里葉變換反投影到三維頻譜中對應入射光線下的埃瓦爾德球殼上，即可實現(xiàn)一個照明角度下的三維頻譜迭代重構，即表示為：

經(jīng)過上述公式即可完成一次對三維傅里葉頻譜的強度迭代收斂過程。