[发明专利]一种光学散射模拟模型的构建方法及其应用

说明书

本发明公开了一种光学散射模拟模型的构建方法及其应用。将所需构建模型的散射介质置于显微镜下进行三维立体扫描成像，获得散射介质的三维结构图像；将每张二维结构图像转为灰度图像矩阵后进行幅值归一化处理，获得归一化图像矩阵；设定相位差权重，将相位差权重乘到每个归一化图像矩阵得到光学相位差分布矩阵，由所有光学相位差分布矩阵组成光学散射模拟模型。本发明简单、便捷，能够在制作实验样本的同时获得其对应的数值模拟模型，更接近实验中光束与生物组织的相互作用，更好地模拟提升实验效率。

技术领域

本发明属于光学显微成像领域，特别涉及了一种光学散射模拟模型的构建方法及其应用，并应用于模拟光学散射成像过程。

背景技术

在生物医学光学领域，光学散射是制约光学成像质量的主要因素。多数深部组织成像的光学技术(例如，激光共聚焦成像，双光子显微镜和光学相干层析扫描)主要利用非散射光子(即弹道光子)成像。弹道光子的数量随深度增加呈指数式衰减，因此将成像范围限制在了1mm的深度。

早先应用在天文学中的自适应光学技术，为实现深层生物组织成像提供了新的技术支持。在开发自适应光学生物成像技术时，需要利用计算机模拟光学散射的过程，从而在实验前得到不同实验条件与参数下的光学矫正结果，对成像技术进行评判。

计算机光学散射模拟是基于菲涅尔衍射原理，利用快速傅里叶变换(FFT)对光的散射进行逐层模拟的。当光束经过一薄层散射介质后，其振幅能够继续向前传播，而相位发生了改变，其相位改变量可以用矩阵形式表示，即透过的光束在保持其振幅与波矢的同时，附加了一个相位掩膜。对于较厚的散射介质，可以分解为多层散射相位掩膜矩阵的依次叠加。传统的光学散射模拟介质是利用计算机生成的随机矩阵来构建散射颗粒的。随机矩阵的单元值均在0～1之间分布，通过设定单元阈值来控制散射颗粒的浓度。利用插值的方法对矩阵进行平滑扩增，使其呈现出接近实际小球的圆滑相位变化趋势。通过设定每层矩阵的厚度，将多层矩阵叠加构建散射介质。然而由于随机矩阵的单元值随机分布，使得各层矩阵之间模拟的颗粒连续性不高，导致其不能很好的体现实际生物组织或散射小球样本的结构分布，降低了散射模拟对成像技术的评价可靠性。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于利用生物组织或散射介质的三维结构图像，构建出多层结构上连续分布的相位差矩阵，用于模拟散射介质内的光学散射。通过将生物三维成像技术与计算机光学散射模拟相结合，提出了一种光学散射模拟模型的构建方法及其应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

一、一种光学散射模拟模型的构建方法：

(1)将所需构建模型的散射介质置于显微镜下，在显微镜的物镜下进行三维立体扫描成像，获得散射介质的三维结构图像；

(2)将每张二维结构图像转为灰度图像矩阵，灰度图像矩阵的元素是由灰度图像中的灰度值构成，并对每个灰度图像矩阵进行幅值归一化处理，获得归一化图像矩阵；

(3)根据散射介质的物理参量计算设定相位差权重，并将相位差权重乘到每个归一化图像矩阵上，得到光学相位差分布矩阵，由所有光学相位差分布矩阵组成光学散射模拟模型。

所述的散射介质的三维结构图像是由显微镜在沿自身光轴方向的不同散射结构层位置(设置轴向步进距离)进行扫描获得的沿光轴依次排列的各层二维结构图像组成，并且通过显微镜参数换算获得二维结构图像所扫描范围的实际尺寸。

所述步骤(3)根据散射介质的物理参量计算设定相位差权重具体是采用以下公式计算获得入射光散射时所改变的最大相位差△φ，入射光入射到散射介质上被显微镜扫描接收，以最大相位差△φ作为相位差权重：

△φ＝2πnd/λ

其中，d为每层扫描的散射介质厚度，λ表示入射光的波长，n表示散射介质的折射率。