几何光学光线追迹仿真微粒衍射图方法

摘要

一种几何光学光线追迹仿真微粒衍射图方法：1)通过远场散射光场生成光源光线，具体有获得远场散射光场，将矩阵元S₁₁投影到显微系统入射面x＝x₀，得到散射光场光强分布图，组成光线追迹的光源；对所有通过衍射成像流式细胞仪显微成像系统成像的点(y,z)建立光线；2)依据菲涅耳折射定律对每一条生成的光线进行追迹计算；3)完成所有光线的追迹计算后，得到光线和成像面的相交点，相交点的分布密度图即是所仿真的衍射图。本发明把微粒的远场散射场处理成几何光学所需的光源，利用光线追迹计算显微光学系统衍射成像，可以避免对结构复杂的显微光学成像系统的相干衍射光场计算，可以对各种复杂的光学成像系统实现衍射图像计算，图形显示界面极为方便。

主权项

一种几何光学光线追迹仿真微粒衍射图方法，其特征在于，是在衍射成像流式细胞仪显微成像系统上运行，包括如下步骤：1)通过远场散射光场生成光源光线，包括：(1)获得远场散射光场：采用时域有限差分法或离散偶极子近似方法计算获得的微粒散射米勒矩阵，由远场散射光强斯托克斯向量、入射光强斯托克斯向量及米勒矩阵之间的关系得到远场散射光强斯托克斯向量：$\left(\begin{array}{c}{I}_s\\ Q_s\\ U_s\\ V_s\end{array}\right)=\frac{1}{k^2{r}^2}\left(\begin{array}{cccc}{S}_{11}& S_{12}& S_{13}& S_{14}\\ S_{21}& S_{22}& S_{23}& S_{24}\\ S_{31}& S_{32}& S_{33}& S_{34}\\ S_{41}& S_{42}& S_{43}& S_{44}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_i\\ Q_i\\ U_i\\ V_i\end{array}\right)--\left(1\right)$其中，$\left(\begin{array}{c}{I}_s\\ Q_s\\ U_s\\ V_s\end{array}\right)$为远场散射光强斯托克斯向量，$\left(\begin{array}{c}{I}_i\\ Q_i\\ U_i\\ V_i\end{array}\right)$为相干入射光强斯托克斯向量，$\left(\begin{array}{cccc}{S}_{11}& S_{12}& S_{13}& S_{14}\\ S_{21}& S_{22}& S_{23}& S_{24}\\ S_{31}& S_{32}& S_{33}& S_{34}\\ S_{41}& S_{42}& S_{43}& S_{44}\end{array}\right)$为米勒矩阵；光强斯托克斯向量中I表示总光强，Q表示x轴方向线偏振光分量，U表示45度线偏振光分量，V表示右旋圆偏振光分量，r是位置矢量绝对值；k＝2π/λ，λ为光波长；(2)将矩阵元S₁₁投影到显微系统入射面x＝x₀，所述显微系统入射面x＝x₀上的点(y,z)的光强表示为：$I(y,z)=\frac{\left|\cos {\phi }_s\sin {\theta }_s\right|}{{x_0}^2(1+{\tan }^2{\phi }_s+\frac{1+{\tan }^2{\phi }_s}{{\tan }^2{\theta }_s})}{S}_{11}({\theta }_s,{\phi }_s)---\left(2\right)$I(y,z)即显微系统入射面上的散射光场光强分布图；(3)将衍射成像流式细胞仪显微成像系统入射面x＝x₀上所有点的光强I(y,z)及方向(θ_s,φ_s)组成光线追迹的光源，点(y,z)发出的光线的数量N(y,z)正比于光强I(y,z)，方向为(θ_s,φ_s)；(4)对所有通过衍射成像流式细胞仪显微成像系统成像的点(y,z)建立光线，即完成了光线追迹仿真系统光源光线的生成。2)追迹计算对每一条生成的光线，依据菲涅耳折射定律：n₁sinI＝n₂sinI'    (3)按照显微光学系统各光学镜片的折射特性，都获得光线的传播轨迹，当一条光线到达衍射成像流式细胞仪显微成像系统的成像平面，或者逃逸出衍射成像流式细胞仪显微成像系统，完成对这条光线的计算，直至所有光线计算完成，式中，I为对应的折射角，I为对应的入射角，n₁为介质1的折射率，n₂介质2的折射率；3)获得像面衍射图完成所有光线的追迹计算后，得到光线和成像面的相交点，相交点的分布密度图即是所仿真的衍射图。