[发明专利]一种大视场高分辨三维衍射层析显微成像方法

权利要求书

1.一种基于LED阵列照明的大视场高分辨三维傅里叶叠层衍射层析显微成像方法，其特征在于步骤如下：

步骤一，原始强度图像采集，将LED光源作为传统显微镜的照明光源，LED面板上的每颗LED依次被点亮，入射光经过聚光镜后从各个不同的入射角下照射样品，并且在被测的厚样品为聚焦情况下，由相机在同步触发信号下采集一系列不同照明角度下的强度图像其中某一个位置下采集的光强为

步骤二，根据LED阵列中每颗LED在空间中的坐标位置计算出在照明系统中每个LED灯对应的入射光的空间频率k_in＝(k_x,k_y)，其中k_x和k_y分别表示空间频率在x方向和y方向的分量；

步骤三，初始化被测物体的大视场高分辨三维频谱三维频谱矩阵像素个数分别为N_x,N_y,N_z，且该三维频谱矩阵满足每个方向上的最小采样数与最终的成像分辨率要求，其中k是指三维频域变量；

步骤四，三维频谱迭代重构，将每个照明角度下所拍摄的强度图像迭代至初始化的三维频谱中，并进行多轮迭代；

步骤五，迭代得出被测物体的三维频谱，并将该三维频谱变换至空间域，最终得到被测的三维物体大视场高分辨的折射率信息分布n(r)，其中r是指三维空间变量；

在步骤四中：当入射光线的空间频率为k_in＝(k_x,k_y)时，利用傅里叶衍射层析定理公式：

即可得到在某确定入射光空间频率下，对应的埃瓦尔德球壳上的物体三维频谱分量；其中为聚焦位置处的被测物体的二维傅里叶频谱，即为埃瓦尔德球壳的定义函数，是指三维散射势频谱分布，λ为不同介质中的归一化波长；将三维球壳上的频谱成分映射至二维频谱空间中，即可得到在对应入射光角度下的聚焦位置二维复振幅频谱：

其中为二维散射场的傅里叶变换，j是指虚数单位值，k_2D为二维频域变量，为三维频谱中与入射光线对应的埃瓦尔德球壳上的频谱分量，k_z定义为投影系数对于明场图像来说，所拍摄的总场包含着入射分量与散射分量，而暗场图像却只有被物体所散射之后的分量，所以拍摄的强度图与散射场和入射光线的关系为：

其中I(x_T)为实际所拍摄的强度图像，U(x_T)为包含散射场U_s(x_T)和入射场U_in(x_T)的总和场，x_T为二维空间变量；

在三维衍射层析成像中，Born近似与Rytov近似方法简化为：

其中U_b(x_T)表示一阶散射场，对上式进行进一步的化简，对各个变量分别除以入射分量U_in(x_T)，化简后的公式可得：

其中U_BN(x_T)，U_SN (x_T)和U_N(x_T)分别表示经由入射光场归一化之后的一阶散射场，散射场和测量的总场，即可表示为和故可以分别得到在Born近似和Rytov近似下所测量的明场和暗场的情况下，总场与一阶散射场之间关系的表达式：

对于Born近似

对于Rytov近似

利用上述关系可以分别得到在Born近似和Rytov近似下将所拍摄的强度图像迭代至二维一阶散射场中的公式为：

对于Born近似

对于Rytov近似

其中为原始估计的一阶散射场，为迭代更新光强信息之后的散射场，为实际拍摄的强度图像，系数α作为调节项可加快收敛速度减小噪声影响；

再对进行二维傅里叶变换得到将由强度收敛之后的一阶散射势的傅里叶变换反投影到三维频谱中对应入射光线下的埃瓦尔德球壳上，即可实现一个照明角度下的三维频谱迭代重构，即表示为：

经过上述公式即可完成一次对三维傅里叶频谱的强度迭代收敛过程。