[发明专利]一种无透镜全息三维成像构建方法及装置

说明书

本发明涉及无透镜全息三维成像技术领域，具体公开了一种无透镜全息三维成像构建方法，本发明通过将三维样品切片成若干个二维截面，根据二维截面和图像传感器在三维坐标系内的位置信息、入射光的物理信息和样品周围介质折射率，采用预设的FBPP‑LHM算法分别计算出每个二维截面的折射率后，将计算完成的各个二维截面的折射率拼接获得样品的三维折射率分布，即可完成三维成像，预设的FBPP‑LHM算法自带有滤波器，能够用来代替频谱插值和舍去的过程，提高了算法精度；同时算法自身以解析解的形式存在，无需通过迭代法求解，利用该方法的三维成像构建过程具有稳定性和快速性的优势。

技术领域

本发明涉及无透镜全息三维成像技术领域，尤其涉及到一种无透镜全息三维成像构建方法及装置。

背景技术

无透镜全息三维成像技术在生物组织三维成像、三维细胞团形态观察中具有重要的应用前景。目前无透镜全息三维成像技术还未实现商业化，技术方案可以分成三种，三种方案的在硬件上相似，主要区别在于三维重建算法。目前无透镜全息三维成像技术的硬件结构主要包括排列着大量LED灯的LED阵列，LED阵列可以从不同的方向(角度)照明样品，透过样品的光由CMOS图像传感器接收。不同角度照明下接收到的图像经过三维算法的处理，便可恢复样品的三维结构。其中LED阵列到样品的距离要远大于样品到CMOS图像传感器的距离，以保证到达样品时的光接近于平行光。从算法上可以将三种方案分为基于滤波反投影算法(Filter Back Projection，FBP)的方案、基于光学衍射层析(Optical DiffractionTomography，ODT)的方案、基于强度衍射层析(Intensity Diffraction Tomography，IDT)的方案。

基于FBP的方案是基于光沿直线传播的原理，其将不同角度照明下得到的投影分别进行反投影，然后将这些图片进行叠加，从而得到物体的三维空间信息。投影和反投影的过程：假设原物体是一个二维圆，则其在CMOS图像传感器上的投影是一条线，反投影的过程则是将CMOS上的这条线沿入射光方向进行回抹，为一矩形。FBP的原理即将不同方向的反投影进行叠加，然后经过滤波，最后恢复原物体形状。基于FBP的方案的缺点在于默认光沿直线传播，忽视了光的散射，进而影响了成像精度。

基于ODT的方案是基于光的散射原理，需要用到的信息是散射场的复振幅，原理可以用下式表示：

式中省略了常数项，代表散射场频谱，由CMOS图像传感器接收到散射场后获得，表示物体三维频谱。上式表明，相机接收到的频谱和物体三维频谱有一一对应的关系，可以由相机接受的散射场的频谱来填充物体的三维频谱，进而得到物体的三维空间信息。基于ODT的方案解决了光的散射问题，且物体的三维信息是以物体的三维折射率的形式来展示。但是此方案涉及到频谱的插值和舍去，使三维成像精度较低。基于IDT的方案同样是基于光的散射原理，但是需要用到的信息是散射场的强度，原理可用下式表示：

f＝argmin∑|I_mea-I_pre(f)|²

式中f代表物体三维信息，I_mea代表CMOS图像传感器得到的光强，I_pre代表通过一定的方法预测得到的光强，其由物体的三维信息f决定。上式可以理解为当预测得到的光强I_pre和CMOS图像传感器得到的光强I_mea的差值的平方最小时，即二者最接近时，求得的f即能正确反应物体的三维空间信息。基于IDT的方案的缺点在于需要用迭代的方法来求解，因此速度很慢，尤其是在样品量大时，这一问题更为严重。同时算法的精度受迭代参数影响，迭代参数需要手动调整，这一问题既影响成像速度又影响成像稳定性。

可见，现有技术三维成像基于FBP和ODT的方案，存在着精度不足的问题，基于IDT的方案存在着速度慢和稳定性不足的问题

发明内容