[发明专利]一种结合相位梯度与直接线性变换的相位体三维重建法

说明书

本发明提供一种结合相位梯度与直接线性变换的相位体三维重建法，包括样本正交相位图像获取、待定点平面坐标的提取以及空间坐标的精确结算和样本形貌重建；本发明在不需要提前知道样品折射率的情况下就可以对样品完成三维重建；本发明双光路数字全息相位显微成像系统来实现样本正交相位显微成像，具有无损、免标记的优点，能快速获取样本的正交相位信息，可靠性和稳定性高，实验可重复进行，成本低。本发明提出了跳变点及判断方法，该跳变点的判定条件对折射率变换非常敏感，能准确反应出样本的边界信息，提取样本的边界点即为需要解算的待定点在二维平面的坐标，再结合直线变换算法DLT精确求解待定点的三维空间坐标。

技术领域

本发明属于相位显微成像领域，具体涉及一种结合相位梯度与直接线性变换的相位体三维重建法。

背景技术

当光穿过这样透明的相位物体时，能引起与折射率分布密切相关的相移。考虑到这一现象，定量相位显微镜QPM被应用于获得透明相位物体的形态和结构信息。作为全视野的非侵入性显微镜，QPM能进行非接触、无损伤和快速的高分辨率成像并且操作方便。其为相位物体的三维静态、动态形貌观察和动力学行为特征等研究提供了强有力的工具。但是，因为样品的折射率信息和物理厚度信息在相位图中耦合，相位图像不能用于直接显示相位物体的形状和结构。

因此，形态重建尤为重要。用于样品形态重建的方法很多，例如双波长技术，熵层析重建方法等。使用这些方法可以获得样品的折射率信息并重建样品的三维形态特征。但是这些任务要花费很多时间，并且实验设备的成本很高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种结合相位梯度与直接线性变换的相位体三维重建法。本发明在不需要提前知道样品折射率的情况下就可以对样品完成三维重建；本发明采用双光路数字全息相位显微镜成像系统获取待测样本的正交相位图，应用相位梯度算法来确定样本的不同部分的边界，提取边界点即为需要精确求解的待定点在平面内的二维坐标，这里提出了跳变点也就是边界点及判断方法，该跳变点的判定条件对折射率变换非常敏感，能准确反应出样本的边界信息，最后利用直接线性变换算法DLT求解待定点的三维空间坐标。本发明在相位显微成像及实时识别方面有着广泛的实用价值与应用前景，具有无创性和无标记的明显优势，对相位体相位显微成像以及形态重建等领域具有重要意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种结合相位梯度与直接线性变换的相位体三维重建法，包括以下步骤：

样本正交相位图像提取：通过显微镜成像系统获得样本正交相位图像；

样本待定点空间坐标求解：记录样本的正交相位图和其中，表示第一张相位图的总相移值，第二张相位图的总相移值；记录样本的正交相位图相位梯度曲线；判断正交相位图的跳变点即边界点，跳变点也是需要精确求解的正交相位图中待定点在平面内的投影点，确定样本正交相位图的边界信息；求解正交相位图图像l_i系数和像主点坐标(x₀,y₀)；根据正交相位图的l_i系数和像主点坐标(x₀,y0)，求解待定点物方空间坐标(X_待，Y_待，Z_待)；

样本正交方向形貌重建：

从第一张相位图中选取对应的任意两边界点A和B，计算A和B空间坐标之间的差值即空间坐标(X_A，Y_A，Z_A)与空间坐标(X_B，Y_B，Z_B)的差值，则可得到样品在这两点连线方向上的厚度h_AB，两边界点A和B在第二张相位图中的相移值和等于第二张相位图的总相移值通过式九反演得到样本的平均折射率n_c与样本所处环境液的折射率n_m之差，