CN104797922A - 液体介质中衍射体的光学参数重建方法和系统 - Google Patents

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Abstract

液体介质(24)中衍射体(22)的光学参数重建方法的实施借助于包括空间相干光源(26)及矩阵光电探测器(28)的重建系统(20)。液体介质(24)以透明表面(42)为边界，衍射体(22)与该透明表面(42)相接触。该重建方法包括：使用空间相干光源(26)照明介质(24)；使用矩阵光电探测器(28)测量由被照明的介质(24)在垂直方向(Z)上传输的衍射图形的光强；以及基于测得的光强，根据重建算法在重建高度(Zr)上重建衍射体(22)的光学参数。在重建步骤中，该重建高度的值严格小于介质(24)和矩阵光电探测器(28)之间在垂直方向(Z)上的距离(D2)的值，优选为小于距离(D2)的0.9倍，更加优选为小于距离(D2)的0.8倍。

Description

液体介质中衍射体的光学参数重建方法和系统
技术领域
本发明涉及一种对浸于液体介质中的衍射体的光学参数进行重建的方法。其中，所述液体介质以透明表面为边界，所述衍射体与该透明表面相接触。
本发明还涉及一种对光学参数进行重建的系统，包括：空间相干光源、矩阵光电探测器以及基于重建高度并根据重建算法，从测得的光强重建所述衍射体光学参数的装置。
所述重建方法包括：
-使用所述空间相干光源照明所述介质；
-使用所述矩阵光电探测器测量由被照明的所述介质在垂直方向上传输的衍射图形的光强，其中，每个所述衍射图形与一个或多个衍射体在所述介质被照明时衍射出的波相对应；以及
-按照所述重建算法，基于测得的所述光强，并根据所述重建高度，重建所述衍射体的光学参数。
换句话说，对所述光学参数的重建完成于所述重建高度上。
本发明特别适用于微粒的光学参数的重建，尤其适用于细胞、细菌、病毒等生物微粒的光学参数重建。所述生物微粒中，细胞的大小约为10μm，细菌的大小约为1μm。
所述光学参数特别指衍射体的吸光度或衍射体引起的相位延迟，这些参数分别代表该衍射体的复变不透明度函数的模量和幅角。本发明可特别用于确定这些参数的空间分布。
本发明涉及无透镜成像，即所述矩阵光电探测器直接获取由所述介质传输的辐射所成的像，而无需在该介质与矩阵光电探测器之间放置放大透镜。在此情况下，所述矩阵光电探测器也称为无透镜成像设备，其可在离所述介质一较小距离的位置上形成该介质的像。所述较小距离是指该距离的大小为100μm至数厘米，优选小于1cm。
背景技术
Poher等在题为《细菌的无透镜在线式全息检测》一文中描述了一种使用无透镜成像设备重建衍射体光学参数的方法。
根据该文描述，尘埃颗粒被置于一CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补式金属氧化物半导体)传感器的护盖表面上距该CMOS传感器约400μm的位置，而该检测方法的目的在于对所述尘埃颗粒的光学参数进行重建。所述尘埃颗粒由一空间相干光源照明，所述CMOS传感器用于测量当该尘埃颗粒被照明时由其衍射而出的光波所对应的衍射图形的光强。
使用重建算法从测得的所述光强中重建所述尘埃颗粒的复振幅。其中，所述重建算法取决于重建高度，该重建高度大致等于所述CMOS传感器的护盖的高度，即大致等于在颗粒的照明方向上所述尘埃颗粒与CMOS传感器之间的距离。
然而，上述重建方法无法获得更加精确的信息，尤其是与被观察颗粒结构相关的信息。因此，当所述被观察颗粒为细胞时，此方法无法辨别并观察同一个细胞的细胞核和细胞质。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种衍射体光学参数的重建方法和系统，对于直径小于50μm的衍射体，尤其是细胞或菌群，该重建方法和系统可获得所述衍射体更加精确的信息。
为实现所述目的，本发明涉及一种使用包括空间相干光源及矩阵光电探测器的重建系统对浸于液体介质中的衍射体的光学参数进行重建的方法，所述液体介质以一透明表面为边界，所述衍射体与所述透明表面相接触，
所述重建方法包括如下步骤：
-使用所述空间相干光源照明所述介质；
-使用所述矩阵光电探测器测量由被照明的所述介质在一垂直方向上传输的至少一个衍射图形的光强，其中，每个所述衍射图形与一个或多个衍射体在所述介质被照明时衍射出的波相对应；以及
-基于测得的所述光强，根据一重建算法，重建所述衍射体的所述光学参数，其中，所述重建算法取决于一重建高度，
在所述重建步骤中，所述重建高度的值严格小于所述介质和矩阵光电探测器之间在所述垂直方向上的距离的值，优选为小于所述距离的0.9倍，更加优选为小于该距离的0.8倍。
根据本发明的其他有益方面，所述重建方法还包括以下一个特征或所有在技术层面上可行的多个特征的组合：
-在所述重建步骤中，所述重建算法满足以下等式：
I ( x , y ) * h - Zr ( x , y ) = e j 2 π - Zr λ ( 1 - a ( x , y ) - e j 2 π 2 Zr λ . a * ( x , y ) * h - 2 Zr ( x , y ) )
其中：
I为由所述矩阵光电探测器测得的所述光强；
x,y表示垂直于所述垂直方向的一平面内的坐标，*表示卷积；
Zr表示所述重建高度；
λ表示所述光源的波长，j表示虚数单位；
a表示某一衍射体的复变不透明度函数，a*表示a的共轭复变函数；
hz由下式定义：
h z ( x , y ) = 1 jλz e j 2 π z λ exp ( jπ x 2 + y 2 λz ) ;
-在所述重建步骤中，在所述重建高度的不同值处对所述衍射体的光学参数进行重建，每个所述重建高度的值均严格小于所述液体介质和矩阵光电探测器之间在所述垂直方向上的所述距离的值；
-至少一个所述衍射体包括第一结构和第二结构，在所述重建高度的第一值处对所述第一结构的光学参数进行重建，在所述重建高度的第二值处对所述第二结构的光学参数进行重建，所述第二值与所述第一值不相同；
-所述衍射体为包括细胞核和细胞质的细胞，在第一取值区间对表示所述细胞核的一图像进行重建，在第二取值区间对表示所述细胞质的一图像进行重建，所述第二取值区间与第一取值区间不相同，优选地，所述第二取值区间与第一取值区间相互分隔，更加优选地，所述第一取值区间内的值为小于所述第二取值区间内的值；
-所述液体介质和矩阵光电探测器之间在所述垂直方向上的所述距离大致等于500μm，所述第一取值区间的取值范围为240μm至280μm，所述第二取值区间的取值范围为380μm至420μm；
-每个所述衍射图形的光强直接由所述矩阵光电探测器测量，而不在所述液体介质和矩阵光电探测器之间放置放大透镜；以及
-所述被重建的光学参数包括所述衍射体的吸光度和/或由所述衍射体造成的相位延迟。
本发明还涉及一种对浸于液体介质中的衍射体的光学参数进行重建的系统，其中，所述液体介质以一透明表面为边界，所述衍射体与该透明表面相接触，所述重建系统包括：
-一空间相干光源，用于照明所述介质；
-一矩阵光电探测器，用于测量被照明的所述介质在一垂直方向上传输的至少一个衍射图形的光强，其中，每个所述衍射图形与一个或多个衍射体在所述介质被照明时衍射出的波相对应；以及
-基于测得的所述光强，根据一重建算法，重建所述衍射体的所述光学参数的装置，其中，所述重建算法取决于一重建高度，所述重建高度的值严格小于所述液体介质和矩阵光电探测器之间在所述垂直方向上的距离的值，优选为小于所述液体介质和矩阵光电探测器之间的所述距离的0.9倍，更加优选为小于该距离的0.8倍。
根据本发明的其他有益方面，所述重建系统还包括以下一个特征或所有在技术层面上可行的多个特征的组合：
-所述光源包括发光二极管以及与该发光二极管接触设置的光阑；以及
-所述矩阵光电探测器为CCD传感器或CMOS传感器。
附图说明
通过参考以下附图，阅读下述一非限制性实施例的详细描述，可了解本发明的各种特征及优点。
图1为本发明重建系统的立体图，
图2为图1所示重建系统的分解图，
图3为图1所示重建系统的示意图，其中，该重建系统包括光源、矩阵光电探测器以及用于重建所述衍射体光学参数的装置，
图4为本发明重建方法的流程图，
图5所示为表示用于比较本发明重建方法和显微镜测得的多个椭圆形衍射体长轴长度的点簇，
图6所示为表示用于比较本发明重建方法和显微镜测得的多个椭圆形衍射体面积的点簇，
图7为由图1至图3所示重建系统的光电探测器获取的五个均包括第一结构和第二结构的不同衍射体的五幅不同图像的示意图，
图8为在取值范围为280μm至350μm的第一取值区间内的一重建高度上重建的图7中五个衍射体的第一结构的各重建图像的示意图，
图9为由所述显微镜获得的图7中五个衍射体的第一结构的各参考图像的示意图，
图10为在取值范围为410μm至450μm的第二取值区间内的一重建高度上重建的图7中五个衍射体的第二结构的各重建图像的示意图，
图11为由所述显微镜获得的图7中五个衍射体的第二结构的各参考图像的示意图，
图12为图1至图3所示重建系统的光电探测器所获取的另一衍射体的图像的示意图，
图13为使用本发明重建系统对其吸光度进行重建的图12所示衍射体的图像的示意图，
图14为图12衍射体的参考图像的示意图，所述参考图表示了一包括有利于细胞贴合的官能团化区域的基板，
图15至图20为用于获得表示在给定重建高度上根据图1至图3所示重建系统的光电探测器所获取的图像重建的复数吸光度模量的重建图像的算法的实施例的示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，用于重建浸于液体介质24中的衍射体22的光学参数的重建系统20包括一空间相干光源26以及一矩阵光电探测器28。
如图3所示，重建系统20还包括一信息处理单元30，其包括一处理器32以及能够存储用于重建衍射体22光学参数的软件36的一存储器34。其中，所述光学参数使用重建算法并根据光电探测器28所测得的光强值I进行重建。
如图1和图2所示，重建系统20包括一保护壳体38，其内特别用于设置光电探测器28及信息处理单元30。此外，重建系统20包括用于供电的线路连接40。
衍射体22例如为生物微粒等微粒物，即指细胞(如红细胞、白细胞或血小板)、细菌或菌群、细胞或细胞团块。或者，衍射体22为免疫微珠。
衍射体22的直径优选为小于20μm，衍射体22的直径例如为100nm至10μm。上述细菌的直径约为1μm，而上述细胞的直径约为10μm。
衍射体22具有分别如图8和图9以及如图10和图11所示的第一结构41A和第二结构41B。在图8至图11所示的实施例中，衍射体22为细胞，第一结构41A为细胞核，第二结构41B为细胞质。
如图3所示，液体介质24以透明表面42为边界。衍射体22与透明表面42相接触。
如图3所示，介质24置于光源26和矩阵光电探测器28之间，且大致垂直于与光源26对介质的照明方向相对应的一垂直方向Z。
光源26可发出沿垂直方向Z传播的光束44，以对内置衍射体22的液体介质24进行照明。
在垂直方向Z上，光源26与透明表面42之间相隔第一距离D1。优选地，第一距离D1的大小为1cm至30cm，如8cm。
光源26为空间相干光源。光源26例如包括如发光二极管46(也被称为LED)等周期性发光源，以及如图3所示与LED46相接触设置的光阑48。光阑48的直径为50μm至500μm，其设置为与光源26相接触，以提高光辐射的空间相干性。
或者，光源26由发光二极管46构成，而不包括光阑，为此需要将发光二极管46的尺寸减至足够小，才能被认为尤其具有相干性，所述发光二极管46的直径小于发光二极管与透明表面42间隔的第一距离D1的十分之一。
又或者，光源26为空间和时间均相干的光源，例如，激光二极管(LD)或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
矩阵光电探测器28包括多个像素，其未图示，矩阵光电探测器28的每个所述像素的尺寸均小于或等于10μm或甚至4μm。举例而言，每个像素均为边长小于或等于10μm或甚至4μm的正方形。此外，每个像素也可均为边长为2.2μm的正方形。
所述矩阵光电探测器28在垂直方向Z上设于与透明表面42相距第二距离D2的位置。第二距离D2的大小为100μm至数厘米，优选为小于1cm，更加优选为100μm至2mm。在所述实施例中，第二距离D2为700μm。
当第二距离D2较小，即矩阵光电探测器28和透明表面42之间的距离较小时，可起到在介质24被照明时，限制不同衍射图形之间发生干涉现象的作用。
矩阵光电探测器28可获取由内置衍射体22且被光束44照明的介质24所传输的辐射的图像。所传输的辐射是指穿过介质24的辐射，从而使得矩阵光电探测器28和光源26分别位于介质24和衍射体22的两侧。
矩阵光电探测器28为二维图像传感器，即其位于垂直于纵轴Z的平面内。矩阵光电探测器28为像素化图像传感器，如CMOS传感器，或者，矩阵光电探测器28为CCD(Charged-Coupled Device，电荷耦合器件)传感器。
矩阵光电探测器28还包括微透镜，其未图示，每个所述微透镜均置于一对应像素的上方。这些微透镜包含于所述传感器内，可起到提高集光输出的作用，但并不构成位于透明表面42和光电探测器28之间的放大透镜。
矩阵光电探测器28获取的图像由被照明的介质24直接传输的辐射形成，无需在透明表面42和矩阵光电探测器28之间设置放大透镜。光电探测器28也称为无透镜成像设备，其可在离介质24一较小距离的条件下形成介质的像。如上所述，该较小距离是指小于数厘米，优选为小于1cm的距离，所述第二距离D2例如为700μm。
矩阵光电探测器28可测量由介质24传输的至少一个衍射图形的光强I。所述或每个衍射图形均对应于介质24被照明时由一个或多个衍射体22所衍射的波。
重建软件36可使用重建算法根据测得的光强I重建出衍射体22的光学参数。所述重建算法取决于重建高度Zr。换句话说，所述光学参数由垂直方向Z上与重建高度Zr相等的一高度值重建。
与现有技术不同，根据本发明，重建高度Zr的值严格小于透明表面42和矩阵光电探测器28在垂直方向Z上的所述第二距离D2的值。重建高度Zr的值优选为小于第二距离D2的0.9倍，更加优选为小于第二距离D2的0.8倍。
在现有技术中，重建高度Zr一般等于被观察衍射体与矩阵传感器之间的距离，或大于被观察衍射体与矩阵传感器之间的距离。
发明人令人惊异地发现，当重建高度Zr，根据本发明，为严格小于第二距离D2，即小于衍射体22和矩阵传感器28之间的距离，优选地小于第二距离D2的0.9倍时，可使组成衍射体22的各结构的光学参数的重建成为可能，尤其使衍射体22的第一结构41A和/或第二结构41B的光学参数重建成为可能。
根据本发明的一个补充方面，在所述重建高度的第一值Zr1处对所述第一结构41A的光学参数进行重建，在所述重建高度的第二值Zr2处对所述第二结构41B的光学参数进行重建，所述第二值Zr2与所述第一值Zr1不相同。在下述各实施例中，所述被重建的光学参数为微粒的吸光度，即下述复变不透明度函数a的模量。如此，每个重建图像即表现了重建平面内吸光度的空间分布。灰度值越高，则代表吸光度越高。
在上述以细胞22为衍射体的实施例中，表示结构41A的图像在位于第一最小值Zr1min及第一最大值Zr1max之间的第一取值区间内进行重建，表示细胞质41B的图像在位于第二最小值Zr2min及第二最大值Zr2max之间的第二取值区间内进行重建。
所述第二取值区间[Zr2min；Zr2max]与第一取值区间[Zr1min；Zr1max]不相同。优选地，第二取值区间[Zr2min；Zr2max]与第一取值区间[Zr1min；Zr1max]相互分隔。更加优选地，第一取值区间[Zr1min；Zr1max]内的值小于第二取值区间[Zr2min；Zr2max]内的值，即第一最大值Zr1max小于第二最小值Zr2min。
当液体介质24和矩阵光电探测器28之间在垂直方向Z上的所述第二距离D2大致等于700μm时，第一取值区间[Zr1min；Zr1max]内的值为280μm至350μm之间的值，第二取值区间[Zr2min；Zr2max]内的值为410μm至450μm之间的值。
可选的，当第二距离D2大致等于500μm时，第一取值区间[Zr1min；Zr1max]内的值为240μm至280μm之间的值，第二取值区间[Zr2min；Zr2max]内的值为380μm至420μm之间的值。
可选的，当第二距离D2大致等于2000μm时，第一取值区间[Zr1min；Zr1max]内的值为1200μm至1300μm之间的值，第二取值区间[Zr2min；Zr2max]内的值为1400μm至1500μm之间的值。
所述重建算法本身为已知算法，其满足如下等式：
I ( x , y ) * h - Zr ( x , y ) = e j 2 π - Zr λ ( 1 - a ( x , y ) - e j 2 π 2 Zr λ . a * ( x , y ) * h - 2 Zr ( x , y ) ) - - - ( 1 )
其中，I为由矩阵光电探测器28测得的所述光强；
x,y表示垂直于所述垂直方向的一平面内的坐标，*表示卷积；
Zr表示所述重建高度；
λ表示光源26的波长，j表示虚数单位；
a表示某一衍射体22的复变不透明度函数，a*表示a的共轭复变函数；
hz由下式定义：
h z ( x , y ) = 1 jλz e j 2 π z λ exp ( jπ x 2 + y 2 λz ) - - - ( 2 )
式(1)表明该重建算法由垂直方向Z上与重建高度Zr相等的一高度值z执行。
式(1)由以下各式得出：
Az(x,y)＝t(x,y)*hz(x,y)   (3)
其中，Az为透光度t(x,y)的菲涅尔变换。
由此，可将吸光度系数a(x,y)和透光度系数t(x,y)由下式定义：
t(x,y)＝(1-a(x,y))   (4)
A z ( x , y ) = t ( x , y ) * h z ( x , y ) = ( 1 - a ( x , y ) ) * h z ( x , y ) = 1 * h z ( x , y ) - a ( x , y ) * h z ( x , y ) = e j 2 π z λ - a ( x , y ) * h z ( x , y ) - - - ( 5 )
进而将光强I由下式定义：
I = A . A * = 1 - e j 2 π z λ . a * * h z * - e - j 2 π z λ . a * h z + ( a * h z ) . ( a * * h z * ) - - - ( 6 )
菲涅尔变换的双特性对应以下两式：
h z * * h z = h - z * h z
hz*hz＝h2z   (7)
从而，可得出重建等式(1)：
I * h - z ≈ ( 1 - e j 2 π z λ . a * * h z * - e - j 2 π z λ . a * h z ) * h - z
I * h - z = e j 2 π - z λ - e j 2 π z λ . a * * h z * * h - z - e - j 2 π z λ . a * h z * h - z
I * h - z = e j 2 π - z λ - e j 2 π z λ . a * * h - z * * h - z - e - j 2 π z λ . a
I * h - z = e j 2 π - z λ - ( 1 - a - e j 2 π 2 z λ . a * h - 2 z ) - - - ( 8 )
从所测得的图像I(x,y)，并根据文献，尤其是发表于2005年SPIES光学科技会议论文集的文章《在线式数字全息技术中使用相位恢复减小孪生像噪声》中所描述的标准算法，可容易地获得所述复变不透明度函数a(x,y)。本说明书结尾部分中描述了一简单算法的实施例。
如图1和图2所示，保护壳体38例如为圆柱体形状。保护壳体38在垂直方向Z上具有高度H，在垂直于垂直方向Z的径向上具有半径R。举例而言，保护壳体38的高度H及半径R的大小均为厘米级。
优选地，透明表面42被官能团化，从而可使衍射体22更好地贴合于表面42上。透明表面42的所述官能团化是指为了使衍射体22更好地贴合于表面42上而对表面42实施的处理工艺，例如，先使用等离子体和氢氧化钠依次清洗透明表面42，然后再在其上沉积纤连蛋白的工艺，或者抗原-抗体、DNA等其他已知官能团化工艺。
透明表面42例如可采用在垂直方向Z上厚度大致为170μm的透明片体的形式。
光束44可对介质24和衍射体22直接照明，而无需在光源26和介质24之间设置放大透镜。
发光二极管46例如为单色发光二极管，其带宽例如为20nm至40nm，优选为30nm。发光二极管46的发射波长例如为500nm至520nm，功率约为1W。
光阑48的直径例如为50μm至700μm，例如等于500μm或等于80μm。
以下将参考图4，对本发明重建方法进行描述。
在起始步骤100中，先使用空间相干光源26对液体介质24进行照明，其中，光束44的方向沿垂直方向Z。
在步骤110中，使用矩阵光电探测器28测量被照明介质24所传输的辐射的强度I。具体而言，矩阵光电探测器28测量的是被照明介质24所传输的衍射图形的光强I。其中，每个所述衍射图形对应于介质24被照明时由衍射体22衍射出的波，这些衍射出的波与前述入射波相互干涉。
在步骤120中，使用重建装置36，根据前述重建算法，从被测得的光强I中最终重建上述光学参数，尤其是衍射体22的吸光度和相位延迟。所述相位延迟对应于所述复变不透明度函数a的幅角，而所述吸光度对应于所述复变不透明度函数a的模量。一般而言，所述吸光度或相位延迟的空间分布由重建图像表现。
如前所述，重建高度Zr的值严格小于第二距离D2所对应的介质24和矩阵光电探测器28之间在垂直方向Z上的距离，优选为小于第二距离D2的0.9倍，更加优选为小于第二距离D2的0.8倍。
一般而言，使用被重建的衍射体22或结构41A，41B来指代使用所述重建算法对其光学参数进行重建的衍射体22或结构41A，41B。
根据本发明的一个补充方面，衍射体22的光学参数针对重建高度Zr的不同值进行重建，每个所述不同值均严格小于第二距离D2的值。
在所述示例性实施例中，使用重建软件36在重建步骤120中将重建高度Zr的值在0和一个严格小于第二距离D2的预设值之间进行变换。重建高度Zr的所述预设值例如为第二距离D2的0.9倍。
此外，第一结构41A的光学参数在所述重建高度的第一值Zr1或第一取值区间[Zr1min；Zr1max]内进行重建，第二结构41B的光学参数在所述重建高度的第二值Zr2或第二取值区间[Zr2min；Zr2max]内进行重建。其中，第二值Zr2与第一值Zr1不相同，而且上述各取值区间通过实验方式根据获得的重建结果的质量进行确定。
细胞核41A或细胞22的参数根据被重建的图像确定。细胞核41A的形状为椭圆，所述参数例如为该椭圆的长轴长度、该椭圆的面积、该椭圆的圆度或该椭圆的短轴和长轴比。
本发明的重建系统和方法具有许多优点，尤其在于其可一次观察多个衍射体22，例如当使用表面积为数平方厘米的矩阵传感器28时，其可一次观察约1万个细胞22。
此外，如图1和图2所示，重建系统20还具有较小的体积，尤其是保护壳体38，其直径和高度分别约为10cm和2cm。
重建系统20可被直接插入培养箱中，从而避免了在观察细胞22时，不得不将其从培养箱中取出，并且在观察细胞时，细胞22的生长也不会停滞。
此外，如图5和图6所示，一次观察多个衍射体22使得对被重建结构的光学参数进行统计分析成为可能。
在图5中，第一圆形150表示多个被观察细胞22的细胞核41A的长轴长度，x轴对应于由本发明重建方法和重建系统20测定的所述长轴长度值，而y轴对应于使用显微镜测得的所述长度值。从不同细胞22的观察结果可看出，由于各第一圆形150非常靠近代表自仿射函数所确定的所述长轴长度确切值的第一直线152，所以由本发明重建方法测得的该长轴长度值非常精确。
图6与图5相似，其中，被测量的细胞核41A的光学参数为上述椭圆面积。在图6中，第二圆形160表示所述椭圆面积，x轴对应于由本发明重建方法测定的所述面积值，而y轴对应于使用所述显微镜测得的所述面积值。
图6也显示出，由于各第二圆形160非常靠近代表自仿射函数所确定的所述细胞核41A面积确切值的第二直线162，所以重建测得的参数，即不同细胞22细胞核41A所对应的该椭圆面积值非常精确。
图7所示为由矩阵光电探测器28获得的五个不同衍射体22的衍射图形200、202、204、206、208。
图8所示为在第一取值区间[Zr1min；Zr1max]中的某个重建高度Zr值上分别根据与所述被获取的五个衍射图形200、202、204、206、208所对应的被测光强重建的五个第一重建图像210、212、214、216、218。具体而言，图8所示为吸光度的空间分布。这些针对所述第一取值区间获得的重建图像210、212、214、216、218使得对所述不同衍射体22的细胞核41A的观察成为可能。各细胞核41A的长轴长度约为10μm。
图9所示为由所述显微镜获得的上述五个细胞22的细胞核41A的各第一参考图像220、222、224、226、228。
比较图8和图9可知，通过本发明重建方法对对应光学参数重建而得的各细胞核41A与由显微镜所观察到的各细胞核几乎具有同样的形状和大小，从而显示了本发明重建方法的高度有效性。
图10所示为在第二取值区间[Zr2min；Zr2max]中的某个重建高度Zr值上分别根据与所述被获取的图形200、202、204、206、208所对应的被测光强重建的五个第二重建图像230、232、234、236、238。具体而言，图10所示为吸光度的空间分布。各第二重建图像230、232、234、236、238对应于各不同细胞22的细胞质41B，细胞质41B的大小约为20μm。
图11所示为由所述显微镜获得的上述五个细胞22的细胞质41B的各第二参考图像220、222、224、226、228。
与图8和图9的比较结果相类似，比较图10和图11可知，图10所示的各重建细胞质41B与图11所示由显微镜所观察到的各细胞质41B具有相近的形状和大小，从而显示了本发明重建方法的高度有效性。
在图8所示示例性实施例中，重建高度Zr的第一取值区间[Zr1min；Zr1max]为280μm至350μm，在图10所示示例性实施例中，重建高度Zr的第二取值区间[Zr2min；Zr2max]为410μm至450μm。在此两实施例中，第二距离D2大致为700μm。
应该注意的是，已针对其他不同的第二距离D2值实施了测试，以确定与这些第二距离D2值对应的可使细胞核41A和细胞质41B的分别重建成为可能的第一和第二取值区间[Zr1min；Zr1max]和[Zr2min；Zr2max]。
当第二距离D2大致为500μm时，重建高度Zr的第一取值区间[Zr1min；Zr1max]为240μm至280μm，重建高度的第二取值区间[Zr2min；Zr2max]为380μm至420μm。
当第二距离D2大致为2000μm时，重建高度Zr的第一取值区间[Zr1min；Zr1max]为1200μm至1300μm，重建高度的第二取值区间[Zr2min；Zr2max]为1400μm至1500μm。
图12所示为直接由光电探测器28获得的另一衍射体22的衍射图形。图13所示为在一严格小于介质24和光电探测器28之间的所述第二距离D2的重建高度Zr上重建的所述衍射体22。图14所示为使用所述显微镜获得的该衍射体22的参考图像。具体而言，图13所示为吸光度的空间分布。
比较图13和图14同样可知，图13所示的重建衍射体与图14所示参考图像中的衍射体具有相近的形状和大小，从而显示了本发明重建方法可获得令人满意的结果。所述参考图像显示了一通过化学方式官能团化从而有利于细胞以一预定形状贴合的基板。此官能团化使得所述细胞(NIH 3T3细胞)的骨架获得了与图13所示相一致的一特定形状。
由上可知，即使对于直径小于约20μm的衍射体，本发明重建系统20和重建方法也可以以非常令人满意的方式对衍射体22的光学参数进行重建，重建结果接近于显微镜观察到的结果。
本发明重建系统20和重建方法还可以使得一次观察多个衍射体22成为可能。此外，重建系统20的体积较小，从而可被直接插入培养箱中使用，因此极大地促进了衍射体22的观察和光学参数重建操作的便利性。
由此可知，本发明重建系统20和重建方法可用于重建小于约20μm的衍射体22的光学参数，例如直径约为10μm的细胞，直径约为1μm的细菌，或者病毒。
以下将通过一实施例说明，如何在一给定的重建高度z上，根据矩阵光电探测器28获取的图像I(x,y)，获得代表吸光度a(x,y)模量的重建图像。
在图15至20所示的实施例中，介质24和矩阵光电探测器28在垂直方向Z上的所述第二距离D2大致为500μm，而且每个衍射体22，也称为衍射元素，其均为直径约10μm的球体。
图15所示为光电探测器28所获取的各衍射元素22的图像。其中，该图像的灰度值表示每个衍射元素22的吸光度(即复吸光度模量)。
图16所示为光电探测器28所获取图像的仿真图，即光电探测器28所测得的光强I。通过实施式(1)所示重建算法，即执行前述卷积运算I*h-z，即可获得复重建图像，其模量如图17所示。从此图像中，可观察吸光度的空间分布。然而，此图像迭加有一般称为“孪生像”且表示为ti的噪声信号。例如，在J.R.Fienup于1982年8月发表于《应用光学》第21卷15期的文章《各相位复原算法之比较》中对此孪生像进行了描述。
用于减小上述孪生像影响的方法为本领域技术人员熟知，其描述于2000年代发表的文献中。因此，可利用该方法改进重建图像的呈现形式，以降低所述孪生像信号的影响，从而获得从光电探测器28朝向光源26在距离z处的吸光度空间分布。
以下实施例为所使用算法的一例。为实现此目的，先做如下设想：所述孪生像信号和函数h2z的卷积为复变不透明度函数a的估计值；同样地，复变不透明度函数a和函数h2z的卷积为所述孪生像ti的估计值。
也就是说，上述设想可表示为：
a*h2z＝ti
ti*h2z＝a
在此算法中，使用迭代算法降低复重建图像I*h-Z中所述孪生像噪声对其的影响。所述迭代算法包括如下步骤：
保存初始图像，表示为Iminitial，即Iminitial＝I*h-z；
开始第i次迭代；
通过设定例如大于孪生像平均振幅值的阈值，对图像Imi进行振幅阈值化，从而将低于该阈值的像素隐藏。此阈值化可通过自动方式或手动方式完成。在第一次迭代中，Imi＝1＝Iminitial，可认为经过上述阈值化后的图像Imi为所述不透明度a在第i次迭代中的正确估计值，表示为ai；
计算所述孪生像信号在第i次迭代中的估计值：tii＝Imi–ai；
保存新的图像Imi+1＝tii*h2z；
实施后续迭代，直至达到预设的停止条件后，停止该迭代算法。此停止条件可例如为，一预设迭代次数，或者Imi与ai或Imi与Imi-1之间的一定比较结果。
在上述迭代算法完成后，获得与复变不透明度a的正确估计值对应的图像Im。通过对所述复变不透明度的模量作图，得出所述吸光度在距离z处的分布。
图17至20所示为上述算法的实施过程。
图17所示为复变函数Im1＝I*h-z的模量，其中I为图16所示由光电探测器28获取的图像，即该算法的初始图像。
图18所示为对图17图像实施振幅阈值化，以隐藏低于该阈值的像素后得到的图像，其为该复变不透明度的估计值ai＝1。
图19所示为函数tii＝1＝Imi＝1–aii＝1的模量，其为初次迭代中所述孪生像噪声的估计值。
图20所示为函数Imi＝2＝tii＝1*h2z的模量，其对应于第2次迭代所基于的图像。从两次相继迭代步骤后的图像Imi＝1(图17)和Imi＝2(图20)中可以看出，所述孪生像信号已被极大削弱，因而与图15相比，可以更好地从所述重建高度上的吸光度表达中分离出其空间分布。

Claims (11)

1.一种使用包括空间相干光源(26)及矩阵光电探测器(28)的重建系统(20)对浸于液体介质(24)中的衍射体(22)的光学参数进行重建的方法，所述液体介质(24)以一透明表面(42)为边界，所述衍射体(22)与所述透明表面(42)相接触，
所述重建方法包括如下步骤：
-使用所述空间相干光源(26)照明(100)所述介质(24)；
-使用所述矩阵光电探测器(28)测量(110)由被照明的所述介质(24)在一垂直方向(Z)上传输的至少一个衍射图形的光强(I)，其中，每个所述衍射图形与一个或多个衍射体(22)在所述介质(24)被照明时衍射出的波相对应；以及
-基于测得的所述光强(I)，根据一重建算法在一重建高度(Zr)上重建(120)所述衍射体(22)的光学参数；
其中，在所述重建步骤(120)中，所述重建高度(Zr)的值严格小于所述液体介质(24)和矩阵光电探测器(28)之间在所述垂直方向(Z)上的距离(D2)的值，优选为小于所述液体介质(24)和矩阵光电探测器(28)之间的所述距离(D2)的0.9倍，更加优选为小于该距离(D2)的0.8倍。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述重建步骤(120)中，所述重建算法满足以下等式：
其中：
I为由所述矩阵光电探测器(28)测得的所述光强；
x,y表示垂直于所述垂直方向(Z)的一平面内的坐标，*表示卷积；
Zr表示所述重建高度；
λ表示所述光源(26)的波长，j表示虚数单位；
a表示某一衍射体(22)的复变不透明度函数，a*表示a的共轭复变函 数；
hz由下式定义：
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述重建步骤(120)中，在所述重建高度(Zr)的不同值处对所述衍射体(22)的光学参数进行重建，每个所述重建高度的值均严格小于所述液体介质(24)和矩阵光电探测器(28)之间在所述垂直方向(Z)上的所述距离(D2)的值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，至少一个所述衍射体(22)包括第一结构(41A)和第二结构(41B)，在所述重建高度(Zr)的第一值(Zr1)处对所述第一结构(41A)的光学参数进行重建，在所述重建高度(Zr)的第二值(Zr2)处对所述第二结构(41B)的光学参数进行重建，所述第二值(Zr2)与所述第一值(Zr1)不相同。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述衍射体(22)为包括细胞核(41A)和细胞质(41B)的细胞，在第一取值区间([Zr1min；Zr1max])对表示所述细胞核(41A)的一图像进行重建，在第二取值区间([Zr2min；Zr2max])对表示所述细胞质(41B)的一图像进行重建，所述第二取值区间([Zr2min；Zr2max])与第一取值区间([Zr1min；Zr1max])不相同，优选地，所述第二取值区间([Zr2min；Zr2max])与第一取值区间([Zr1min；Zr1max])相互分隔，更加优选地，所述第一取值区间([Zr1min；Zr1max])内的值小于所述第二取值区间([Zr2min；Zr2max])内的值。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述液体介质(24)和矩阵光电探测器(28)之间在所述垂直方向(Z)上的所述距离(D2)大致等于500μm，所述第一取值区间([Zr1min；Zr1max])的取值范围为240μm至280μm，所述第二取值区间([Zr2min；Zr2max])的取值范围为380μm至420μm。
7.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，每个所述衍射图形的光强(I)直接由所述矩阵光电探测器(28)测量，而不在所述液体介质(24)和矩阵光电探测器(28)之间放置放大透镜。
8.如以上任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述被重建的光学参数包括所述衍射体(22)的吸光度和/或由所述衍射体(22)造成的相位延迟。
9.一种对浸于液体介质(24)中的衍射体(22)的光学参数进行重建的系统(20)，所述液体介质(24)以一透明表面(42)为边界，所述衍射体(22)与该透明表面(42)相接触，所述重建系统(20)包括：
-一空间相干光源(26)，用于照明所述介质(24)；
-一矩阵光电探测器(28)，用于测量被照明的所述介质(24)在一垂直方向(Z)上传输的至少一个衍射图形的光强(I)，其中，每个所述衍射图形与一个或多个衍射体(22)在所述介质(24)被照明时衍射出的波相对应；以及
-基于测得的所述光强(I)，根据一重建算法，在一重建高度(Zr)上重建所述衍射体(22)的所述光学参数的装置(36)，其中，所述重建高度(Zr)的值严格小于所述液体介质(24)和矩阵光电探测器(28)之间在所述垂直方向(Z)上的距离(D2)的值，优选为小于所述液体介质(24)和矩阵光电探测器(28)之间的所述距离(D2)的0.9倍，更加优选为小于该距离(D2)的0.8倍。
10.如权利要求9所述的系统(20)，其特征在于，所述光源(26)包括发光二极管(46)以及与该发光二极管(46)接触设置的光阑(48)。
11.如权利要求9或10所述的系统(20)，其特征在于，所述矩阵光电探测器(28)为CCD传感器或CMOS传感器。
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