液體介質中衍射體的光學參數重建方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種對浸于液體介質中的衍射體的光學參數進行重建的方法。其中， 所述液體介質以透明表面為邊界，所述衍射體與該透明表面相接觸。
[0002] 本發明還涉及一種對光學參數進行重建的系統，包括：空間相干光源、矩陣光電探 測器以及基于重建高度并根據重建算法，從測得的光強重建所述衍射體光學參數的裝置。
[0003] 所述重建方法包括：
[0004] -使用所述空間相干光源照明所述介質；
[0005] -使用所述矩陣光電探測器測量由被照明的所述介質在垂直方向上傳輸的衍射圖 形的光強，其中，每個所述衍射圖形與一個或多個衍射體在所述介質被照明時衍射出的波 相對應；以及
[0006] _按照所述重建算法，基于測得的所述光強，并根據所述重建高度，重建所述衍射 體的光學參數。
[0007] 換句話說，對所述光學參數的重建完成于所述重建高度上。
[0008] 本發明特別適用于微粒的光學參數的重建，尤其適用于細胞、細菌、病毒等生物微 粒的光學參數重建。所述生物微粒中，細胞的大小約為10ym，細菌的大小約為Iym。
[0009] 所述光學參數特別指衍射體的吸光度或衍射體引起的相位延遲，這些參數分別代 表該衍射體的復變不透明度函數的模量和幅角。本發明可特別用于確定這些參數的空間分 布。
[0010] 本發明涉及無透鏡成像，即所述矩陣光電探測器直接獲取由所述介質傳輸的輻射 所成的像，而無需在該介質與矩陣光電探測器之間放置放大透鏡。在此情況下，所述矩陣 光電探測器也稱為無透鏡成像設備，其可在離所述介質一較小距離的位置上形成該介質的 像。所述較小距離是指該距離的大小為IOOym至數厘米，優選小于lcm。
【背景技術】
[0011] Poher等在題為《細菌的無透鏡在線式全息檢測》一文中描述了一種使用無透鏡成 像設備重建衍射體光學參數的方法。
[0012] 根據該文描述，塵埃顆粒被置于一CMOS(ComplementaryMetalOxide Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體）傳感器的護蓋表面上距該CMOS傳感器約 400ym的位置，而該檢測方法的目的在于對所述塵埃顆粒的光學參數進行重建。所述塵埃 顆粒由一空間相干光源照明，所述CMOS傳感器用于測量當該塵埃顆粒被照明時由其衍射 而出的光波所對應的衍射圖形的光強。
[0013] 使用重建算法從測得的所述光強中重建所述塵埃顆粒的復振幅。其中，所述重建 算法取決于重建高度，該重建高度大致等于所述CMOS傳感器的護蓋的高度，即大致等于在 顆粒的照明方向上所述塵埃顆粒與CMOS傳感器之間的距離。
[0014] 然而，上述重建方法無法獲得更加精確的信息，尤其是與被觀察顆粒結構相關的 信息。因此，當所述被觀察顆粒為細胞時，此方法無法辨別并觀察同一個細胞的細胞核和細 胞質。
【發明內容】
[0015] 因此，本發明的目的在于提出一種衍射體光學參數的重建方法和系統，對于直徑 小于50ym的衍射體，尤其是細胞或菌群，該重建方法和系統可獲得所述衍射體更加精確 的信息。
[0016] 為實現所述目的，本發明涉及一種使用包括空間相干光源及矩陣光電探測器的重 建系統對浸于液體介質中的衍射體的光學參數進行重建的方法，所述液體介質以一透明表 面為邊界，所述衍射體與所述透明表面相接觸，
[0017] 所述重建方法包括如下步驟：
[0018] -使用所述空間相干光源照明所述介質；
[0019] -使用所述矩陣光電探測器測量由被照明的所述介質在一垂直方向上傳輸的至少 一個衍射圖形的光強，其中，每個所述衍射圖形與一個或多個衍射體在所述介質被照明時 衍射出的波相對應；以及
[0020] -基于測得的所述光強，根據一重建算法，重建所述衍射體的所述光學參數，其中， 所述重建算法取決于一重建高度，
[0021] 在所述重建步驟中，所述重建高度的值嚴格小于所述介質和矩陣光電探測器之間 在所述垂直方向上的距離的值，優選為小于所述距離的0. 9倍，更加優選為小于該距離的 0. 8 倍。
[0022] 根據本發明的其他有益方面，所述重建方法還包括以下一個特征或所有在技術層 面上可行的多個特征的組合：
[0023] -在所述重建步驟中，所述重建算法滿足以下等式：
【主權項】
1. 一種使用包括空間相干光源（26)及矩陣光電探測器（28)的重建系統（20)對浸于 液體介質（24)中的衍射體（22)的光學參數進行重建的方法，所述液體介質（24)W-透明 表面（42)為邊界，所述衍射體（22)與所述透明表面（42)相接觸， 所述重建方法包括如下步驟： -使用所述空間相干光源（26)照明（100)所述介質（24); -使用所述矩陣光電探測器（28)測量（110)由被照明的所述介質（24)在一垂直方向 狂）上傳輸的至少一個衍射圖形的光強（I)，其中，每個所述衍射圖形與一個或多個衍射體 (22)在所述介質（24)被照明時衍射出的波相對應；W及 -基于測得的所述光強（I)，根據一重建算法在一重建高度狂r)上重建（120)所述衍 射體（22)的光學參數； 其中，在所述重建步驟（120)中，所述重建高度狂r)的值嚴格小于所述液體介質（24) 和矩陣光電探測器（28)之間在所述垂直方向狂）上的距離值2)的值，優選為小于所述液 體介質（24)和矩陣光電探測器（28)之間的所述距離值2)的0.9倍，更加優選為小于該距 離值2)的0. 8倍。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述重建步驟（120)中，所述重建算法滿 足W下等式：
其中： I為由所述矩陣光電探測器（28)測得的所述光強； x，y表示垂直于所述垂直方向狂）的一平面內的坐標，*表示卷積； Zr表示所述重建高度； 入表示所述光源（26)的波長，j表示虛數單位； a表示某一衍射體（22)的復變不透明度函數，a*表示a的共輛復變函數； h,由下式定義：
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述重建步驟（120)中，在所述重建 高度狂r)的不同值處對所述衍射體（22)的光學參數進行重建，每個所述重建高度的值均 嚴格小于所述液體介質（24)和矩陣光電探測器（28)之間在所述垂直方向狂）上的所述距 離值2)的值。
4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，至少一個所述衍射體（22)包括第一結構 (41A)和第二結構（41B)，在所述重建高度狂r)的第一值狂rl)處對所述第一結構（41A) 的光學參數進行重建，在所述重建高度狂r)的第二值狂r2)處對所述第二結構（41B)的光 學參數進行重建，所述第二值狂r2)與所述第一值狂rl)不相同。
5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述衍射體（22)為包括細胞核（41A)和 細胞質（41B)的細胞，在第一取值區間（位lmin;Zrlmax])對表示所述細胞核（41A)的一 圖像進行重建，在第二取值區間（[Zr2min;Zr2max])對表示所述細胞質（41B)的一圖像進 行重建，所述第二取值區間（口r2min;Zr2max])與第一取值區間（[Zrlmin;Z;rlmax])不相 同，優選地，所述第二取值區間（[Zr2min;Zr2max])與第一取值區間（[Zrlmin;Z;rlmax]) 相互分隔，更加優選地，所述第一取值區間（[Zrlmin;Zrlmax])內的值小于所述第二取值 區間（l!Zr2min;Zr2max])內的值。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述液體介質（24)和矩陣光電探測器 (28)之間在所述垂直方向似上的所述距離值2)大致等于500ym，所述第一取值區 間（[Zrlmin;Z;rlmax])的取值范圍為240]im至280]im，所述第二取值區間（[Zr2min; Zr2max])的取值范圍為380ym至420ym。
7. 如W上任一權利要求所述的方法，其特征在于，每個所述衍射圖形的光強（I)直接 由所述矩陣光電探測器（28)測量，而不在所述液體介質（24)和矩陣光電探測器（28)之間 放置放大透鏡。
8. 如W上任一權利要求所述的方法，其特征在于，所述被重建的光學參數包括所述衍 射體（22)的吸光度和/或由所述衍射體（22)造成的相位延遲。
9. 一種對浸于液體介質（24)中的衍射體（22)的光學參數進行重建的系統（20)，所述 液體介質（24)W-透明表面（42)為邊界，所述衍射體（22)與該透明表面（42)相接觸，所 述重建系統（20)包括； -一空間相干光源（26)，用于照明所述介質（24); -一矩陣光電探測器（28)，用于測量被照明的所述介質（24)在一垂直方向狂）上傳輸 的至少一個衍射圖形的光強（I)，其中，每個所述衍射圖形與一個或多個衍射體（22)在所 述介質（24)被照明時衍射出的波相對應；W及 -基于測得的所述光強（I)，根據一重建算法，在一重建高度狂r)上重建所述衍射體 (22)的所述光學參數的裝置（36)，其中，所述重建高度狂r)的值嚴格小于所述液體介質 (24)和矩陣光電探測器（28)之間在所述垂直方向似上的距離值。的值，優選為小于所 述液體介質（24)和矩陣光電探測器（28)之間的所述距離值2)的0.9倍，更加優選為小于 該距離值2)的0. 8倍。
10. 如權利要求9所述的系統（20)，其特征在于，所述光源（26)包括發光二極管（46)W及與該發光二極管（46)接觸設置的光闊（48)。
11. 如權利要求9或10所述的系統（20)，其特征在于，所述矩陣光電探測器（28)為 CCD傳感器或CMOS傳感器。
【專利摘要】液體介質(24)中衍射體(22)的光學參數重建方法的實施借助于包括空間相干光源(26)及矩陣光電探測器(28)的重建系統(20)。液體介質(24)以透明表面(42)為邊界，衍射體(22)與該透明表面(42)相接觸。該重建方法包括：使用空間相干光源(26)照明介質(24)；使用矩陣光電探測器(28)測量由被照明的介質(24)在垂直方向(Z)上傳輸的衍射圖形的光強；以及基于測得的光強，根據重建算法在重建高度(Zr)上重建衍射體(22)的光學參數。在重建步驟中，該重建高度的值嚴格小于介質(24)和矩陣光電探測器(28)之間在垂直方向(Z)上的距離(D2)的值，優選為小于距離(D2)的0.9倍，更加優選為小于距離(D2)的0.8倍。
【IPC分類】G02B27-42, G01N21-17, G01N15-02, G01N21-45, G01N21-47
【公開號】CN104797922
【申請號】CN201380045196
【發明人】C·阿里埃, S·凡希莫·科薩萬
【申請人】原子能與替代能源委員會
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2013年7月12日
【公告號】EP2872871A1, US20140016137, WO2014009519A1