剪切数字全息及其血细胞形貌和折射率同时测量方法

1.本发明属于数字全息技术领域，具体涉及一种剪切数字全息及其血细胞形貌和折射率同时测量方法。


背景技术：

2.细胞是生命活动的基本单位。数字全息术凭借其高精度、无损伤和可定量的光学非接触成像优势，已成为血细胞免标记相位显微成像的一个新标杆。
3.从血细胞免标记相位显微成像过程可知，血细胞相位的大小一般取决于血细胞光轴方向上的高度和折射率分布。血细胞光轴方向上的高度一般是表征血细胞三维微观形态，而血细胞折射率一般是疾病诊断的重要依据；因此，无论是在细胞研究领域还是医学领域，同时测量这两个参数意义重大，而且技术难度大。目前，主要有以下几个代表性方法：(1)利用共聚焦显微镜的扫描技术获取细胞三维微观形貌，利用相位显微镜测量细胞相位，然后获取细胞折射率；但是，该方法使用的设备笨重、价格高昂，导致测试成本高、效率低；(2)利用三维层析相位显微镜，分层次对细胞成像，获取细胞多层级的二维折射率分布，然后运用相关重构算法构建细胞三维折射率分布，进而获取细胞三维微观形貌；但是，该三维层析过程方法计算量大、费时、实时性差；(3)通过更换细胞介质，改变细胞介质的折射率，实现不同细胞介质下的相位测量，获得细胞形貌和折射率；但是，该方法需要更换细胞介质，导致其操作难度大、可行性较差。虽然上述细胞形貌和折射率测量都取得了一定的进展，但是方法复杂、难度大、可操作性低。
4.因此，基于上述技术问题需要设计一种新的剪切数字全息及其血细胞形貌和折射率同时测量方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种剪切数字全息及其血细胞形貌和折射率同时测量方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种血细胞三维微观形貌和折射率同时测量方法，包括：
7.采集各波长离轴干涉图；
8.根据采集到的各波长离轴干涉图获取物波复振幅；
9.从物波复振幅中恢复血细胞相位；
10.构建血细胞相位表达式；以及
11.测量出血细胞三维微观形貌和折射率。
12.进一步，采集的各波长离轴干涉图为：
[0013][0014]
[0015]
其中，为波长λ1下的物波；为波长λ2下的物波；为波长λ1下的参考波；为波长λ2下的参考波；*为复共轭。
[0016]
进一步，所述根据采集到的各波长离轴干涉图获取物波复振幅的方法包括：
[0017]
对采集到的各波长离轴干涉图进行处理，提取物波复振幅，其提取的波长λ1和λ2下的物波复振幅和分别表示为：
[0018][0019][0020]
其中，fft为傅里叶变换；fftshift为傅里叶频谱移中心操作；ifft为傅里叶逆变换。
[0021]
进一步，所述从物波复振幅中恢复血细胞相位的方法包括：
[0022]
从物波复振幅中恢复血细胞相位，其提取的波长λ1和λ2下的相位和表示为：
[0023][0024][0025]
其中，im(
·
)为虚部；re(
·
)为实部。
[0026]
进一步，所述构建血细胞相位表达式的方法包括：
[0027][0028][0029]
其中，h为血细胞光轴方向的高度；和分别为波长λ1和λ2下的介质折射率；和分别为波长λ1和λ2下的血细胞折射率；
[0030]
波长λ1和λ2下的介质和血细胞折射率差值分别为：
[0031][0032][0033]
其中，δn
rbc
＜＜δnm；
[0034]
则
[0035][0036][0037]
进一步，所述测量出血细胞三维微观形貌和折射率的方法包括：
[0038]
测量出血细胞三维微观形貌h和折射率n
rbc
，表示为：
[0039][0040][0041]
即同时测量出血细胞三维微观形貌和折射率。
[0042]
第二方面，本发明还提供一种血细胞三维微观形貌和折射率同时测量系统，包括：
[0043]
采集模块，采集各波长离轴干涉图；
[0044]
物波复振幅获取模块，根据采集到的各波长离轴干涉图获取物波复振幅；
[0045]
相位恢复模块，从物波复振幅中恢复血细胞相位；
[0046]
构建模块，构建血细胞相位表达式；以及
[0047]
测量模块，测量出血细胞三维微观形貌和折射率。
[0048]
第三方面，本发明还提供一种剪切数字全息系统，包括：
[0049]
可调谐激光器、血细胞样品、显微物镜、光学玻璃板和cmos；
[0050]
所述可调谐激光器分别发出波长为λ1或波长为λ2的激光光束，照射血细胞样品后，经过显微物镜、形成血细胞放大光路；
[0051]
所述血细胞放大光路经过光学玻璃板，在光学玻璃板的前后面发生反射后，在cmos上发生干涉，形成波长为λ1或波长为λ2的各波长离轴干涉图。
[0052]
本发明的有益效果是，本发明通过采集各波长离轴干涉图；根据采集到的各波长离轴干涉图获取物波复振幅；从物波复振幅中恢复血细胞相位；构建血细胞相位表达式；以及测量出血细胞三维微观形貌和折射率，无需逐层扫描血细胞、无需使用血细胞三维层析成像技术，计算数据量小、简单、便捷；无需更换血细胞介质，技术难度低、可操作性强，无需额外测量装置；只需要采集两个单波长下的离轴干涉图，可快速恢复其相位，实现血细胞三维微观形貌和折射率的同时测量。
[0053]
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0054]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0055]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0056]
图1是本发明的剪切数字全息系统的示意图；
[0057]
图2是本发明的血细胞三维微观形貌和折射率同时测量方法的流程图。
[0058]
图中：
[0059]
1为可调谐激光器；2为血细胞样品；3为显微物镜；4为光学玻璃板；5为cmos。
具体实施方式
[0060]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0061]
如图1所示，本实施例提供一种剪切数字全息系统，包括：可调谐激光器1、血细胞样品2、显微物镜3、光学玻璃板4和cmos 5；所述可调谐激光器1发出的各波长的光波依次经过血细胞样品2、显微物镜3，形成血细胞放大光路，然后经过光学玻璃板4，在光学玻璃板4的前后面发生反射后，在cmos 5上发生干涉，形成各波长离轴干涉图。
[0062]
本实施例提供一种剪切数字全息系统的成像方法，包括以下步骤：s1：使可调谐激光器1分别发出波长为λ1或波长为λ2的激光光束，照射血细胞样品2后，经过显微物镜3、形成血细胞放大光路；s2：所述血细胞放大光路经过光学玻璃板4，在光学玻璃板4的前后面发生反射后，在cmos 5上发生干涉，形成波长为λ1或波长为λ2的各波长离轴干涉图。
[0063]
如图2所示，在通过剪切数字全息系统获取各波长离轴干涉图后，本实施例提供了一种血细胞三维微观形貌和折射率同时测量方法，包括：采集各波长离轴干涉图；根据采集到的各波长离轴干涉图获取物波复振幅；从物波复振幅中恢复血细胞相位；构建血细胞相位表达式；以及测量出血细胞三维微观形貌和折射率，无需逐层扫描血细胞、无需使用血细胞三维层析成像技术，计算数据量小、简单、便捷；无需更换血细胞介质，技术难度低、可操作性强，无需额外测量装置；只需要采集两个单波长下的离轴干涉图，可快速恢复其相位，实现血细胞三维微观形貌和折射率的同时测量。在细胞三维微观形貌和折射率同时测量方面，应用面广，有较强实用价值。
[0064]
在本实施例中，采集的各波长离轴干涉图为：
[0065][0066][0067]
其中，为波长λ1下的物波；为波长λ2下的物波；为波长λ1下的参考波；为波长λ2下的参考波；*为复共轭；x、y为空间坐标，后续过程中都省略了式(1)和式(2)的空间坐标。
[0068]
在本实施例中，所述根据采集到的各波长离轴干涉图获取物波复振幅的方法包括：对采集到的各波长离轴干涉图进行处理，提取物波复振幅，其提取的波长λ1和λ2下的物波复振幅和分别表示为：
[0069][0070][0071]
其中，fft为傅里叶变换；fftshift为傅里叶频谱移中心操作；ifft为傅里叶逆变换。
[0072]
在本实施例中，所述从物波复振幅中恢复血细胞相位的方法包括：从物波复振幅中恢复血细胞相位，其提取的波长λ1和λ2下的相位和表示为：
[0073][0074][0075]
其中，im(
·
)为虚部；re(
·
)为实部。
[0076]
在本实施例中，所述构建血细胞相位表达式的方法包括：
[0077][0078][0079]
其中，h为血细胞光轴方向的高度；和分别为波长λ1和λ2下的介质折射率；和分别为波长λ1和λ2下的血细胞折射率；
[0080]
波长λ1和λ2下的介质和血细胞折射率差值分别为：
[0081][0082][0083]
在式(9)和式(10)中，一般情况下，δn
rbc
＜＜δnm，即血细胞折射率与波长无关；则式(7)和式(8)可以改写为：
[0084][0085][0086]
在本实施例中，所述测量出血细胞三维微观形貌和折射率的方法包括：联合式(11)和式(12)，测量出血细胞三维微观形貌h和折射率n
rbc
，表示为：
[0087][0088][0089]
基于式(13)和式(14)，即可同时测量出血细胞三维微观形貌和折射率。
[0090]
本实施例还提供一种血细胞三维微观形貌和折射率同时测量系统，包括：采集模块，采集各波长离轴干涉图；物波复振幅获取模块，根据采集到的各波长离轴干涉图获取物波复振幅；相位恢复模块，从物波复振幅中恢复血细胞相位；构建模块，构建血细胞相位表达式；以及测量模块，测量出血细胞三维微观形貌和折射率；各模块的功能已经详细描述，不再赘述；各模块可以独立存在也可以单独存在。
[0091]
综上所述，本发明通过采集各波长离轴干涉图；根据采集到的各波长离轴干涉图
获取物波复振幅；从物波复振幅中恢复血细胞相位；构建血细胞相位表达式；以及测量出血细胞三维微观形貌和折射率，无需逐层扫描血细胞、无需使用血细胞三维层析成像技术，计算数据量小、简单、便捷；无需更换血细胞介质，技术难度低、可操作性强，无需额外测量装置；只需要采集两个单波长下的离轴干涉图，可快速恢复其相位，实现血细胞三维微观形貌和折射率的同时测量。
[0092]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0093]
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
[0094]
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0095]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。