專利名稱：數(shù)字成像組合件及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及成像系統(tǒng)，更具體地說，涉及產(chǎn)生斑紋數(shù)量減少的數(shù)字圖像的相干輻射成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在成像科學(xué)領(lǐng)域中，最具挑戰(zhàn)性的是將非常小的世界成像。自從第一臺顯微鏡(出現(xiàn))以來，科學(xué)家已經(jīng)對這種儀器著迷，由于它的使用，實(shí)際上每天都有新的發(fā)現(xiàn)和新老問題的解決?？傮w上，可能引起爭論的是，在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯微鏡具有最大的影響。
顯微鏡設(shè)計(jì)隨著時(shí)間變化仍舊是相當(dāng)不變的。若是人們今天走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室并把現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡拆成它的基本部件，他會發(fā)現(xiàn)相同的項(xiàng)目，它們從顯微鏡的初創(chuàng)起就已經(jīng)存在。
典型的光學(xué)顯微鏡由光源、高倍光學(xué)物鏡、顯微鏡體和目鏡構(gòu)成。
當(dāng)今目鏡往往用聚焦透鏡和包含面積傳感器的電子攝像機(jī)代替。在顯微鏡的歷史中，人眼和草圖已經(jīng)被電子攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)輔助成像分析代替，這一事實(shí)已經(jīng)是一個(gè)重大的進(jìn)步。
其他進(jìn)步還發(fā)生在照明器上。激光器，結(jié)合熒光標(biāo)記，已經(jīng)明顯地改善了生物顯微鏡的成像。一些最先進(jìn)的系統(tǒng)涉及某種熒光光譜成像的形式，其中激光能量用作窄帶光泵。激光掃描共焦顯微鏡便是這樣一種裝置。
要使顯微鏡性能強(qiáng)大，高放大倍數(shù)、高反差和良好的分辨率是必不可少的。為了做到這一點(diǎn)，顯微鏡物鏡需要具有大的數(shù)值孔徑(NA)。這一事實(shí)在大部分光學(xué)顯微鏡上形成基本的局限性，因?yàn)橐龅絅A大，其代價(jià)是減小工作變焦范圍或焦深(DOF)。
把透鏡想像為干涉儀可能有助于對這一點(diǎn)的正確理解?；旧?，NA大的光學(xué)系統(tǒng)捕獲物體產(chǎn)生的高度衍射的光子，帶有大量的空間信息。從根本上說，衍射是一個(gè)量子不確定性過程，其中，越多光子變成由物體顆粒定位，它的位置就變成越不確定。因而，首先，越多地捕獲和理解光子的衍射信息，便越好地限定使光子衍射的物體。另外，由顆粒定位的光子越多(并因而衍射越多)，它變成越少與它相鄰的并且不被高度定位或衍射的光子相干。
已知反差隨相干性而變，在NA大的系統(tǒng)中，散焦圖像特征往往模糊，因?yàn)樵诮o定的光學(xué)統(tǒng)計(jì)平均范圍內(nèi)，存在較高的不相干光子對相干光子的收集比率。本質(zhì)上，隨著你越是步出焦點(diǎn)，所述統(tǒng)計(jì)平均就越加被不相干的光子淹沒，這導(dǎo)致反差下降。換一種說法，隨著NA變大，反差和相關(guān)的圖像質(zhì)量隨著焦點(diǎn)誤差而越加下降。這種狀態(tài)與帶有同一放大倍數(shù)但是帶有較小NA的光學(xué)系統(tǒng)形成對比。
簡而言之，高放大倍數(shù)大NA的顯微鏡往往具有非常小的DOF。已知微生物世界在三維空間中存在和起作用，這光學(xué)現(xiàn)實(shí)對任何科學(xué)家都可能是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。結(jié)果，最近不僅在精力上而且在金錢上已經(jīng)進(jìn)行大量投資，以便減輕這個(gè)問題。
所述問題的一部分對確實(shí)帶有寬帶光(亦即，白光)的幾何光學(xué)系統(tǒng)是很重要的。實(shí)際上，玻璃光學(xué)元件工作而且它們起作用，這一事實(shí)是自然界贈與的禮物。你可以把幾種玻璃類型結(jié)合起來，帶有簡單的球形表面幾何，并建立優(yōu)質(zhì)成像系統(tǒng)，它瞬間地和在統(tǒng)計(jì)上把成萬億成萬億的細(xì)微衍射的許多不同能量的光子形成整體，這一事實(shí)確實(shí)是一件令人驚異的事。對于基于強(qiáng)度的成像(大部分成像便是如此)，這統(tǒng)計(jì)平均處理很起作用。但是，若你對捕獲進(jìn)入所述成像系統(tǒng)的光子的相位感興趣，則這個(gè)方法完全不能令人滿意。
相位是光的一種關(guān)鍵的特性。知道了相干地衍射的光子的相對相位分布(空間和時(shí)間)，我們便直接掌握了一個(gè)物體在四維空間(三個(gè)空間維和一個(gè)時(shí)間維)中的存在。
目前，最佳的商售顯微鏡系統(tǒng)中的一種是高速激光掃描，近紅外(NIR)2-光子吸收法共焦顯微鏡，帶有快速z掃描(DOF掃描)平臺或物鏡。這系統(tǒng)使用2光子吸收法熒光成像來減少背景噪音。這些系統(tǒng)非常昂貴，每臺價(jià)格高達(dá)$100,000以上。其它顯微鏡技術(shù)(研究等級)利用超寬帶光和近場成像，大大地提高了分辨率。更高級的樣機(jī)可以賣到每臺高達(dá)$1,000,000。
這些系統(tǒng)中，沒有一種保留成像處理中使用的光的相位信息。傳統(tǒng)上，人們需要足夠的時(shí)間來測量相位信息，這意味著利用長相干照明光源，類似于高度穩(wěn)定的鎖模激光器。這里，激光器用于直接照明，不像熒光成像，在熒光成像中激光器激勵(lì)次級不相干光源。采用長相干照明光源，干涉儀和全息成像便是可能的。但是，這樣的照明往往造成不良的圖像質(zhì)量。激光器，盡管在使相位信息的確定成為可能方面很了不起，但是可能產(chǎn)生非常差的圖像質(zhì)量，因?yàn)殓R面反射噪音(一般稱作斑紋)。
如本專業(yè)的技術(shù)人員已知的，斑紋是光從高度相干的光源(諸如激光器)通過粗糙面或非均勻介質(zhì)的散射產(chǎn)生光的隨機(jī)強(qiáng)度分布，使所述表面或介質(zhì)呈現(xiàn)顆粒狀的外觀的一種現(xiàn)象。例如，可以參見McGraw-Hill出版的科學(xué)和技術(shù)術(shù)語字典(Dictionary of Scientific andTechnical Terms)第六版(McGraw-Hill Book Company，New York，NewYork，2003)1989頁。又例如，可以參見美國專利6,587,194，其整個(gè)公開附于本說明書作參考。
如美國專利6,587,194所公開的″斑紋現(xiàn)象的全面描述可以在T.S.McKechnie所著的，Speckle Reduction，in topics in applied physicstopics in applied physics topics in applied physics，Laser Speckle andRelated Phenomena(減少斑紋，在應(yīng)用物理學(xué)的課題，激光器斑紋和有關(guān)現(xiàn)象)，123(J.C.Dainty，ed.2d，ed.，1984)(下文稱為McKechnie)。如所討論的，在McKechnie的文章中，通過減少激光的時(shí)間相干或空間相干可以達(dá)到減少斑紋的目的。近年來人們已經(jīng)作了不同的嘗試來減少或消除斑紋。另一篇文章，列舉上述McKechnie文章并探討同一問題，B.Dingel等人，利用修改的光纖陣列(1993)用虛擬不相干激光器減少斑紋，Optik 94，在132頁(1993)(下文稱作Dingel)，提到幾個(gè)已知的在時(shí)間積分的基礎(chǔ)上以及在統(tǒng)計(jì)總體積分的基礎(chǔ)上減少斑紋的方法?！遄鳛檫M(jìn)一步的說明，在Joseph W.Goodman的″Statistical Optics(統(tǒng)計(jì)光學(xué)元件)(John Wiley Wiley Sons，New York，New York，1985)的356頁描述了斑紋現(xiàn)象，其中它公開″已經(jīng)研究了在相干成像中抑制斑紋影響的方法，但是沒有找到在維持完美的相干和保持圖像細(xì)節(jié)向下直至成像系統(tǒng)的衍射極限的同時(shí)消除斑紋的一般解決方案?！灞景l(fā)明提供這樣一種″一般的解決方案″。
可以按照上述Goodman文章355頁提出方程式(見方程式7.5-14)來測量圖像中的斑紋數(shù)量。例如，還可以參見美國專利5,763,789，它公開了以下內(nèi)容和對其提出
權(quán)利要求
″在測試機(jī)器中擴(kuò)大測量采樣延伸率的斑紋測量系統(tǒng)的測量范圍的方法，包括以下步驟設(shè)置斑紋傳感器和裝載裝置；把樣品裝入所述測試機(jī)器中的裝載裝置；與樣品在其裝入時(shí)的運(yùn)動對應(yīng)地移動斑紋傳感器，使得樣品測量場的中心在任何時(shí)侯都處于樣品裝載和位移時(shí)的同一物點(diǎn)。所述美國專利的整個(gè)公開附于本說明書作參考。
所述數(shù)字圖像的相位可以按照以下方程式算出ζ‾i(vU,vV)=(I‾i)2[δ(vU,vV)+(λ‾·z2)2∫-∞∞∫|P^(x,y)|2|P^(x-λ‾·z2vU,y-λ‾·z2vV)|2dx·dy]]]>其中不同的變量在Joseph W.Goodman的″Statistical Optics(統(tǒng)計(jì)光學(xué))″354頁的方程式7.5-14中定義。
所述相位以及用于測量該相位的裝置或系統(tǒng)，是眾所周知的。例如，可以參考美國專利5,541,608；5,225,668，；4,012,689；5,037,202；5,789,829；6,630,833；3,764,897等等。這些美國專利申請中每一個(gè)的整個(gè)公開都附于本說明書作參考。
如本專業(yè)的技術(shù)人員眾所周知的，有許多執(zhí)行分析業(yè)務(wù)的公司，所述分析業(yè)務(wù)可以用于產(chǎn)生在本申請中描述的某些或全部測量結(jié)果。因而，例如，Wavefront Sciences Company of 14810 CentralAvenue，S.E.，Albuqurque，NewMexico(公司)提供包括″同時(shí)測量強(qiáng)度和相位″的業(yè)務(wù)。
作為另一方案，或者作為輔助，商售的分析裝置，諸如可從Connecticut的Middlefield的Zygo公司獲得的″New View 200″干涉儀。
在不相干成像中也存在斑紋，但是在圖像形成的統(tǒng)計(jì)時(shí)間塊范圍內(nèi)鏡面反射失真被完全平均掉。這發(fā)生得非常迅速，在費(fèi)秒數(shù)量級。但是，在統(tǒng)計(jì)排除斑紋的情況下，相位信息也丟失了。
需要的是，在光學(xué)相位被摧毀之前逐點(diǎn)測量成像后的光學(xué)相位的時(shí)間，而同時(shí)在此過程中，提供足夠的統(tǒng)計(jì)信息，從而使斑紋不再是個(gè)問題。
Tekemori等人的美國專利5,361,131公開了以下內(nèi)容并對其提出
權(quán)利要求
″1.用于以光學(xué)方法測量物體位移量的光學(xué)位移測量設(shè)備，所述光學(xué)位移測量設(shè)備包括圖像形成裝置，用于至少形成表示物體在第一時(shí)刻的位置的第一圖像和表示所述物體在第二時(shí)刻的位置的第二圖像；第一調(diào)制裝置，用于至少接收所述第一和第二圖像，并按照所述第一和第二圖像調(diào)制相干光，所述第一圖像和所述第二圖像之間的相對位置代表所述第一時(shí)刻和所述第二時(shí)刻之間的相對位置，代表所述物體在所述第一時(shí)刻和所述第二時(shí)刻之間所達(dá)到的位移量；第一傅里葉變換裝置，用于對用所述第一調(diào)制裝置調(diào)制的相干光進(jìn)行傅里葉變換，從而形成第一傅里葉圖像；第二傅里葉變換裝置，用于對用所述第二調(diào)制裝置調(diào)制的相干光進(jìn)行傅里葉變換，從而形成第二傅里葉圖像；檢測裝置，用于檢測表示物體在所述第一和第二時(shí)刻之間所達(dá)到的位移量的第二傅里葉圖像的位置，所述檢測裝置包括對位置敏感的光檢測器，用于接收所述第二傅里葉圖像并直接檢測所述第二傅里葉圖像的位置；以及時(shí)間間隔調(diào)整裝置，用于調(diào)整在所述第一和第二時(shí)刻之間定義的時(shí)間間隔，所述時(shí)間間隔調(diào)整裝置調(diào)整所述時(shí)間間隔的值，以便使所述第二傅里葉圖像由所述對位置敏感的光檢測器接收?！錞ekemori等人專利的裝置不能夠消除鏡圖像中的鏡面反射噪音。本發(fā)明可以提供一種斑紋數(shù)量減少的數(shù)字圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方法是一個(gè)受控統(tǒng)計(jì)處理過程，其中可以有效地排除斑紋噪音，而同時(shí)保存物體的相位。基本上使用一個(gè)過程，其中把動態(tài)相位信息編碼在照射相干射束上，并在輸入相干性丟失以前測量所述動態(tài)相位信息。如果當(dāng)前有非常穩(wěn)定的和相干長度長的激光器(線寬大約1kHz)可用，則現(xiàn)在高速成像和高速相位處理，相位受控的統(tǒng)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是可能的。
在本發(fā)明的方法中，用來自相干長度長的光源的輻射來形成樣品的圖像。所述輸出的相干波在時(shí)間上在一個(gè)相干長度內(nèi)分為多個(gè)小波。然后利用空間相位調(diào)制器調(diào)制每一個(gè)小波的空間相位。每一個(gè)小波的空間相位被調(diào)制一個(gè)不同的和已知的量。每一個(gè)相調(diào)小波照射所述樣品并被它與所述樣品的相互作用擾動。然后測量每一個(gè)受擾小波的空間相位映像，并且通過用圖像重構(gòu)算法編程的計(jì)算機(jī)，把結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所述樣品的圖像。對這樣形成的多個(gè)圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，以形成最后圖像。利用連續(xù)的統(tǒng)計(jì)平均，不可以用光學(xué)方法分辯的高頻斑紋往往平均為零，只剩下可用光學(xué)方法分辨的較低頻率的相位信息。
在本發(fā)明一個(gè)顯微鏡實(shí)施例中，保留完全的相位和振幅信息，允許人們觀察三維空間中的物體并利用計(jì)算機(jī)可讀數(shù)字全息照相重新建立和標(biāo)度成像后的樣品。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明允許人們實(shí)現(xiàn)相襯邊緣增強(qiáng)。在所述實(shí)施例的一個(gè)方面，人們利用大部分懸浮在水環(huán)境中的生物結(jié)構(gòu)的物體切片。在這方面，光往往穿過(透射)，偶爾被散射和衍射，吸收很小。這基本上描述相物體。之所以熒光染料標(biāo)記在這些物體上如此流行的理由之一是，它們吸收相當(dāng)大量的光，因而，使它們易于看見。另一方面，相襯使用小的相對光學(xué)相位漂移(所述小的相對光學(xué)相位漂移大約是波長的一小部分)來看見物體的特征。結(jié)果是，與吸收成像對比，一種敏感得多和強(qiáng)制性較少的看見事物的方法，它要求應(yīng)用外來造影劑；所述外來造影劑往往對生物樣品有害。
在另一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)非破壞性細(xì)胞相互作用(活體中)；因而，不需要熒光染料或標(biāo)記。加入輔助有機(jī)或無機(jī)標(biāo)記組分來增強(qiáng)成像，可能干擾和改變生物過程，在最壞情況下，通過光學(xué)漂白殺死研究中的生物樣品。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明允許人們實(shí)現(xiàn)高速成像，以便實(shí)時(shí)地觀測生物過程；因而，例如，人們可以以數(shù)字形式觀察細(xì)胞、動態(tài)過程，以便允許自動化分析。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明允許人們利用低能量光子(例如在700和400毫微米之間的可見光范圍內(nèi)的光子)獲得0.1微米的成像分辨率(小于Raleigh定義分辨率極限)。按照本發(fā)明實(shí)施例的顯微鏡包括低到50毫微米分辨率的分辨率系統(tǒng)。
這種顯微鏡在離散的相干步驟中利用以光電方法確定的光的相位。在相干步驟之后，以高度受控的和預(yù)定的方式改變光學(xué)統(tǒng)計(jì)并再一次確定所述相位。重復(fù)完成該步驟直到已經(jīng)獲得足以除去斑紋的足夠的信息為止。通過及時(shí)控制光學(xué)統(tǒng)計(jì)，可以建立沒有其它光學(xué)顯微鏡的缺陷的優(yōu)質(zhì)圖像。
今天，存在對利用光學(xué)顯微鏡成像能夠完成的任務(wù)的限制，這些限制至少部分地是由玻璃光學(xué)元件的材料限制產(chǎn)生的。生產(chǎn)NA大的物鏡非常困難，現(xiàn)在工業(yè)已經(jīng)推進(jìn)到玻璃技術(shù)的極限。采用本文中公開的方法，可以把各個(gè)光學(xué)系統(tǒng)組合在一起并且使它們同相。通過以本文中公開的新方法組合光學(xué)系統(tǒng)、電子線路和計(jì)算使這成為可能。
在本專利申請中公開的顯微鏡將允許直接和自然地觀看三維相互作用蛋白質(zhì)和在它們的自然狀態(tài)下的內(nèi)部細(xì)胞動態(tài)。另外，所述技術(shù)也可以擴(kuò)展到其它醫(yī)學(xué)成像裝置，諸如內(nèi)窺鏡。
本發(fā)明使活細(xì)胞的新的細(xì)節(jié)成像成為可能并且將提供對健康的和有疾病的細(xì)胞兩者如何起作用以及細(xì)胞信令和轉(zhuǎn)導(dǎo)如何工作的新的洞察力。
目前，不可能在細(xì)胞處于它的自然狀態(tài)下用光學(xué)方法觀察活體細(xì)胞并且觀察所述細(xì)胞進(jìn)行的4維(空間和時(shí)間)動態(tài)生物過程。許多過程，諸如DNA活性，都是假定的或利用靜態(tài)觀察片斷和模擬模型推論出來的。例如，利用X射線晶體照相術(shù)進(jìn)行DNA分析要求首先殺死細(xì)胞。PCR及其他活動要求從所述細(xì)胞除去DNA并把化學(xué)品加入其中。
在本文中公開的顯微鏡中不存在上面描述的當(dāng)前光學(xué)顯微鏡的缺陷。
附圖的簡短說明現(xiàn)將參照以下附圖描述本發(fā)明，其中類似的號碼是指類似的元件，并且附圖中

圖1是本發(fā)明的方法的框圖；圖2A是按照本發(fā)明實(shí)施例的相干光源系統(tǒng)的示意的部件圖；圖2B是按照本發(fā)明實(shí)施例的聲光相位調(diào)制器的示意圖；圖3是按照本發(fā)明實(shí)施例的顯微鏡的示意的部件圖；圖4A是按照本發(fā)明實(shí)施例的間接照明樣品的顯微鏡的示意的部件圖；圖4B是進(jìn)一步圖解說明間接樣品照明的示意圖；圖4C是多次衍射光柵耦合器的示意圖；圖5是按照本發(fā)明實(shí)施例的帶有樣品激勵(lì)器的顯微鏡的示意的部件圖；
圖6是按照本發(fā)明實(shí)施例的帶有多個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的顯微鏡的示意的部件圖；圖7是按照本發(fā)明實(shí)施例的連接到通信網(wǎng)絡(luò)的顯微鏡的示意的部件圖；圖8是用于按照本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)顯微鏡中的檢測系統(tǒng)的透鏡的框圖；圖9是具有可分辨的亞細(xì)胞單位和不可分辯的亞細(xì)胞單位的樣品的透視圖；圖10電場與樣品相互作用的透視圖；圖11是用于測試本發(fā)明的實(shí)施例的測試樣品的透視圖；圖12是來自相干光源穿過樣品的相干光的透視圖，其中基準(zhǔn)光束在第一方向傳播；圖13是來自相干光源穿過樣品的相干光的透視圖，其中基準(zhǔn)光束在第二方向傳播；圖14是利用多個(gè)相干線程掃描三維樣品的示意圖，其中基準(zhǔn)區(qū)在樣品中；圖15是在三個(gè)軸上掃描三維樣品的示意圖；以及圖16是利用多個(gè)相干線程掃描三維樣品的示意圖，其中基準(zhǔn)區(qū)在樣品外面。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式圖1是圖解說明本發(fā)明的方法的框圖。相干輻射源10提供準(zhǔn)備把樣品18成像的輻射的相干波11。本說明書中使用的術(shù)語″相干輻射″意味著具有同一的或幾乎同一的波長并在所述場內(nèi)不同的點(diǎn)之間帶有確定的相位關(guān)系的電磁輻射。例如，見McGraw-Hill出版的″Dictionary of Scientific and Technical Terms″第六版(New York，NewYork，2003)423頁。例如，還可以參見美國專利6,272,095；6,094,300；6,055,044；6,002,499；5,963,626；5,754,511等等。這些美國專利中的每一個(gè)都整個(gè)公開附于本說明書中作參考。
包括在本發(fā)明中的過程不限于所述相干輻射的特定的波長范圍。同時(shí)，術(shù)語″光″曾經(jīng)僅僅指可見頻譜，大致從400nm至700nm，但既在短波又在長波傳感器和光學(xué)材料方面的進(jìn)展已經(jīng)改變這個(gè)習(xí)慣。術(shù)語″光學(xué)元件″和″光″在本申請中將廣泛使用，但是不應(yīng)推論出暗指特定的波長范圍。最近30至1000μm范圍內(nèi)的電磁輻射有希望具有有用的用途。
如本專業(yè)的技術(shù)人員已知的，有兩種相干測量時(shí)間相干和空間相干。如Joseph W.Goodman在所著的″Statistical Optics(統(tǒng)計(jì)光學(xué))″(John Wiley & Sons，New York，New York，1985)157頁公開的，″...值得簡要地指出兩種相干類型，時(shí)間相干和空間相干之間的區(qū)別。當(dāng)考慮時(shí)間相干時(shí)，我們涉及光束與本身的延遲(而非空間移動)部分干涉的能力。我們是指以振幅分隔的形式將光束分成幾部分。另一方面，當(dāng)考慮空間相干時(shí)，我們涉及光束與本身的空間移動(而非延遲的)部分干涉的能力。我們是指以波前分隔的形式將光分成幾部分。
許多美國專利討論這些相干類型。對于時(shí)間干涉的討論，例如，可以參見美國專利5,469,261(透鏡特性的測量)、4,936,665(高分辨率成像系統(tǒng)和方法)、4,869,593(干涉儀表面輪廓儀)，4,831,629(不相干，用光學(xué)方法耦合激光陣列)、6,577,429(激光投影顯示器系統(tǒng))等等。這些美國專利中每一個(gè)的公開都附于本說明書中作參考。
若將波與它本身的延遲的復(fù)制品組合，則它產(chǎn)生可見干涉的那段延遲持續(xù)時(shí)間稱作″相干時(shí)間″Δt。從此可以算出相應(yīng)的″相干長度″為Δl＝cΔt，其中c是所述波的速度。例如，見McGraw-Hill出版的″Dictionary of Scientific and Technical Terms″第六版(New York，NewYork，2003)423頁。
為了對此相干斑紋減輕過程起作用，需要高度相干的光。需要多強(qiáng)的照明相干性，(首先)取決于相位測量攝像機(jī)的幀速率。這假定，捕獲一幀將比所有其它時(shí)間過程緩慢。作為示例，讓我們假定，我們想要在所述相干時(shí)間內(nèi)進(jìn)行至少20次受控統(tǒng)計(jì)平均。假定激光器線寬1kHz，那么所述相干時(shí)間是τc＝(1KHz)-1＝1ms，這給出相干長度λc＝c·τc＝300km。因而，攝像機(jī)需要最小捕獲幀速率FR＝20/τc＝20,000fps。這樣的攝像機(jī)目前可從不同的公司購得。
對于空間相干的討論，例如可以參考以下美國專利5,923,425(掠入射干涉儀)；5,534,970(掃描曝光裝置)；4,420,218、4,936,665、4,732,483(干涉儀表面輪廓儀)；4,396,289等等。這些美國專利中每一個(gè)的整個(gè)公開附于本說明書作參考。
在這些美國專利文獻(xiàn)中描述了許多相干光源。例如，可以參考美國專利5,321,718；5,309,907；6,424,449；5,978109；5,596,409；4,142,773；6,480,272；4,921,352等等。這些美國專利中每一個(gè)的公開均附于本說明書作參考。
如本專業(yè)的技術(shù)人員眾所周知的，相干光源容易在市場上購得。因而，并參見1999 Melles Griot商品目錄(Melles Griot Inc.出版)，可以使用在這樣的商品目錄的44.11頁上討論的″研究用的穩(wěn)定氦氖激光器″組合件縱模。在一個(gè)實(shí)施例中，圖1中的相干光源10是能夠以單一縱模并且以單一橫模工作的激光光源。
再一次參見圖1，在本發(fā)明的方法中，在用方框12表示的步驟，來自光源10的輻射在時(shí)間上在一個(gè)相干時(shí)間Δt內(nèi)被分為多個(gè)小波13，每一個(gè)小波占用順序時(shí)間間隔δt，δt是相干時(shí)間Δt的一小部分。在用方框14表示的步驟，空間相位調(diào)制器將每一個(gè)小波13的空間相位調(diào)制不同的和已知的量。
圖2A是實(shí)現(xiàn)圖1方框10-14的一個(gè)物理實(shí)施例的示意的部件例圖。激光器302用作相干輻射光源。激光器302具有足夠大的相干體積，使得所述相位可以是針對所述裝置的光學(xué)元件所定義的最小可分辨目標(biāo)元素確定的。激光器產(chǎn)生的光11由輸入部件308饋入延遲線306。所述輸入部件308是一個(gè)以電子方式控制的光纖耦合器。延遲線306是長的光纖線路(跑道(race-track))，其中保留相干性、相位和偏振信息。例如，關(guān)于這些部件中某些部件的描述可以參見網(wǎng)站http://www.ozoptics.com。延遲線306包括光泵310，用于補(bǔ)償光損耗。這樣的光泵對本專業(yè)技術(shù)人員是眾所周知的。
再一次參見圖2A，釋放(bleed off)電子控制耦合部件312把來自延遲線306的光的一部分直接引導(dǎo)到準(zhǔn)直透鏡318中，或任選地引導(dǎo)到波長增頻變頻器316，然后通過光學(xué)線路314到透鏡318。波長增頻變頻器一般是一個(gè)對本專業(yè)技術(shù)人員來說眾所周知的非線性晶體，從而可以減小波長。
離開準(zhǔn)直透鏡318的光或者被反射或者透射通過空間相位調(diào)制器320，所述調(diào)制器可以通過X*λ(Δx，Δy)準(zhǔn)確調(diào)整相位，其中X≥0，與基準(zhǔn)相比。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，空間相位調(diào)制器是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的平面反射器，在與樣品相互作用以前它們把不同的相位傾斜賦予照明射束。一般，可以采取波前編碼的其它形式，并非只有相位傾斜(phase-tilts)。但是，假如傅里葉數(shù)學(xué)相似，則所有波形都可以以合成的方式唯一地由不同振幅的傾斜和移相的平面波的無窮系列產(chǎn)生，所建議的過程相當(dāng)一般。在更廣闊的意義上，本文中描述的過程剛好是這種情況，只要所有相位編碼元件應(yīng)用在所述相干照明器的空間和時(shí)間相干體積內(nèi)。相位編碼照明可以用來擴(kuò)展焦點(diǎn)成像的深度，假定在整個(gè)物體體積上不同的波形可以用上述相位處理合成。成像的場深位移相位目標(biāo)并非不隨不同的相位照明而變化；因而，可以唯一地計(jì)算物深信息。
或者，空間相位調(diào)制器320可以是諸如機(jī)械(MEMS)裝置、電光裝置(液晶、聲光等)裝置或組合裝置。圖2B是相位調(diào)制器的聲光實(shí)施例的示意圖例。在圖2A所描繪的實(shí)施例中，離開空間相位調(diào)制器320的光用號碼15標(biāo)示，因?yàn)樗c圖1中的相位已調(diào)小波15相同。
再一次參見圖1，照明光學(xué)元件16以相位調(diào)制后的小波15照射樣品18。照明光學(xué)元件16可以是光柵、棱鏡、透鏡或某些其它預(yù)定的光學(xué)相位輸入裝置，以便保存空間調(diào)制器320和延遲線(部件308，310，306和312)編碼的相位信息。相位調(diào)制后的小波15與樣品18相互作用，從而變換為擾動小波19。然后擾動小波被集光光學(xué)元件20通過高速光閘22送至空間相位測量系統(tǒng)24，空間相位測量系統(tǒng)24從擾動小波19提取擾動相位信息，以便產(chǎn)生相位重構(gòu)小波25。重構(gòu)小波25被高速光傳感器26檢測出來，所述高速光傳感器產(chǎn)生重構(gòu)小波25的空間相位映像。然后圖像重構(gòu)程序28把來自傳感器26的空間相位映像轉(zhuǎn)換為樣品18的圖像。此刻由單一的小波形成的圖像仍舊包含高頻反射噪音(斑紋)。為了減少所述斑紋，把來自全部小波的多個(gè)圖像加起來，由統(tǒng)計(jì)平均程序30平均，產(chǎn)生最后圖像32。無法用光學(xué)方法分辨的高頻斑紋往往通過連續(xù)的統(tǒng)計(jì)平均被平均至零，只剩下用光學(xué)方法可分辨的頻率較低的相位信息，從而產(chǎn)生斑紋顯著減少的最后的平均圖像。
圖3是顯微鏡100的部件示意圖，用來執(zhí)行上述本發(fā)明方法。在圖3中，光源110代表圖1中以方框10-14圖解說明的，產(chǎn)生相位已調(diào)小波15的部件。光源110通過通信線路154連接到可編程的邏輯單元(PLU)150，盡管也可以使用其它通信系統(tǒng)和方法。
在一個(gè)實(shí)施例中，PLU 150是例如可編程的計(jì)算機(jī)，帶有多個(gè)通信端口、顯示裝置、數(shù)據(jù)存儲裝置(例如，RAM，ROM或其它存儲裝置)、輸入裝置(例如，鍵盤、鼠標(biāo)或其他輸入裝置)等等。
本說明書中使用的術(shù)語″通信線路″是指任何數(shù)目的能夠在兩個(gè)或多個(gè)部件之間傳輸信息的系統(tǒng)和方法。這樣的系統(tǒng)和方法包括(但不限于)光纜、導(dǎo)線等等，以及每一個(gè)部件處必要的發(fā)送和接收信息用的換能器。
相位已調(diào)小波15通過照明光學(xué)元件16射向樣品支架120，在樣品支架120處，相位已調(diào)小波15被樣品的特征散射和/或衍射，變?yōu)閿_動小波19。擾動小波穿過透鏡126和物鏡128。在所描繪的實(shí)施例中，物鏡128連接到高速光閘132。高速光閘132通過通信線路153連接到PLU 150。受控相位單元134連接到高速光閘132。通過通信線路152連接到PLU 150并受其控制的受控相位單元134對應(yīng)于圖1中的空間相位測量系統(tǒng)24，從而它從擾動小波19提取相位信息，產(chǎn)生重構(gòu)小波25。
受控相位單元134受PLU 150控制，可以用來進(jìn)行美國專利6,545,790所描述的處理；所述美國專利的整個(gè)公開附于本說明書作參考。所述專利描述了以下內(nèi)容并對其提出
權(quán)利要求
″一種用于從與基本上單色相干輻射對應(yīng)的波前恢復(fù)信息的方法包括(a)用所述基本上單色相干輻射照射材料的樣品，所述樣品定位在第一平面；(b)通過按照與一個(gè)或多個(gè)濾光鏡對應(yīng)的N個(gè)濾波模式對所述樣品調(diào)制的輻射進(jìn)行濾波，其中所述一個(gè)或多個(gè)濾光鏡基本上定位在第一平面上；(c)對于N個(gè)濾波模式中的每一個(gè)，在第二平面上捕獲濾波后的調(diào)制輻射的空間強(qiáng)度值，以便產(chǎn)生N個(gè)相應(yīng)的強(qiáng)度分布，其中所述第二平面是相對于所述第一平面的共扼衍射平面；(d)處理在所述所述第二平面上捕獲的N個(gè)強(qiáng)度分布，以便提供對第一平面上所述波前的估計(jì)，所述處理步驟包括修正相應(yīng)的濾波模式的作用；(e)利用不同的濾波模式對所提供的波前估計(jì)進(jìn)行濾波，以便獲得N個(gè)濾波后的估計(jì)；(f)處理所述濾波后的估計(jì)，以便產(chǎn)生第二平面上的N個(gè)估計(jì)的強(qiáng)度分布；以及(g)重復(fù)步驟(d)、(e)和(f)，直到與第二平面上捕獲和估計(jì)的強(qiáng)度分布相聯(lián)系的誤差測量達(dá)到預(yù)定的閾值為止?！寤蛘?，受PLU 150控制的受控相位單元134可以用來進(jìn)行美國專利6,369,932的處理過程，所述專利的整個(gè)公開附于本說明書作參考。所述專利描述了以下內(nèi)容并對其提出
權(quán)利要求
″1.一種用于恢復(fù)基本上單色相干波形的波前的相位信息的方法包括(a)設(shè)置具有相關(guān)的后焦平面(BFP)和成像平面(IP)的透鏡；(b)使所述波前通過所述透鏡并通過設(shè)置在所述透鏡的BFP的相位濾光鏡，所述相位濾光鏡使所述波前產(chǎn)生已知的相移；(c)記錄IP處所述波前的空間強(qiáng)度值；(d)對所產(chǎn)生的相移的不同的值重復(fù)步驟(b)和(c)N-1次，以便在IP上獲得N個(gè)波前強(qiáng)度圖像；(e)使所述N個(gè)波前強(qiáng)度圖像中的每一個(gè)的相位值相關(guān)，以便形成N個(gè)合成波前圖像；(f)處理所述N個(gè)合成波前圖像，以便獲得所述波前在所述BFP上的單一的估計(jì)；(g)根據(jù)所記錄的每一個(gè)圖像的空間強(qiáng)度值、在所述BFP上的波前估計(jì)以及相應(yīng)的相移，產(chǎn)生修改的N個(gè)合成波前圖像；以及(h)重復(fù)步驟(f)和(g)中的處理過程，直到與所述N個(gè)合成波前圖像相聯(lián)系的誤差測量達(dá)到預(yù)定值為止?！蹇梢允褂萌魏我环N本專業(yè)的技術(shù)人員已知的空間調(diào)制器作為受控相位單元134?？梢詤⒁娎缑绹鴮＠?,624,756；6,567,163；6,563,167；6,552,777；6,538,800；6,538,791；6,430,328等。所述美國專利中的每一個(gè)的整個(gè)公開內(nèi)容通過引用被包括在本說明書中。在Gershberg專利6365932和6545790中公開的相位測量過程是實(shí)現(xiàn)圖1中的空間相位測量塊24的兩個(gè)實(shí)例。本專業(yè)的技術(shù)人員將明白其他處理過程，例如Mickelson干涉儀。
再次參考圖3，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)142連接到相控單元134。通過通信線路146連接到PLU 150的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)142捕獲重構(gòu)小波25并且產(chǎn)生重構(gòu)小波25的相位映像。此外，利用圖像重構(gòu)程序把PLU 150編程，所述圖像重構(gòu)程序把由攝像機(jī)142捕獲的小波25的相位映像變換成樣品122的圖像。此外，把PLU 150編程，以便針對由激光器302的相干長度內(nèi)的源110產(chǎn)生的多個(gè)小波，形成樣品122的這種圖像。此外，把PLU 150編程，以便添加來自所有小波的多個(gè)圖像并且對它們進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，以便產(chǎn)生樣品122的最后圖像。利用連續(xù)的統(tǒng)計(jì)平均，往往可以把不能用光學(xué)方法分辨的高頻斑點(diǎn)平均到零，而僅僅留下可以用光學(xué)方法分辨的低頻相位信息，從而產(chǎn)生具有顯著減少的斑點(diǎn)的最后圖像。所述最后圖像是例如二維圖像、三維圖像、全息圖像和/或諸如此類。
此外，PLU 150包括用于存儲從數(shù)字?jǐn)z像機(jī)142和144接收的原始數(shù)據(jù)的裝置以及用于存儲重構(gòu)圖像的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，PLU150包括用于把數(shù)據(jù)和圖像發(fā)送到其他存儲裝置和媒體、計(jì)算機(jī)和/或通信網(wǎng)絡(luò)等的裝置。
數(shù)字?jǐn)z像機(jī)142是例如Andor’s iXon87 Electron Multiplying CCD攝像機(jī)，或其他高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)142具有足夠的分辨率，其采樣小于等于光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PFS)的中心波瓣的25％。攝像機(jī)速度必須≥τc(相干性tie)(在源-樣品相互作用區(qū)中定義的)。對于給定傳感器量子效率和光學(xué)場振幅，攝像機(jī)的靈敏度＞整個(gè)成像鏈的S/N(信噪比)。所述成像鏈包括光捕獲→統(tǒng)計(jì)光學(xué)噪音→傳感器→統(tǒng)計(jì)傳感器噪音→數(shù)字轉(zhuǎn)換→統(tǒng)計(jì)電子噪音→算法處理。
圖4A是作為圖3A中顯微鏡100的另一個(gè)實(shí)施例的顯微鏡200的部件的示意圖。參見圖4A，來自光源110的小波15穿過用來耦合到光學(xué)波導(dǎo)116中的相干小波15的光柵耦合器112。如將明白的，光柵耦合器112的功能將是把光傳輸?shù)綐悠?22中。也可以使用其它耦合裝置，諸如棱鏡(未示出)。
在圖4A所描繪的實(shí)施例中，小波15接觸衍射光柵112，衍射光柵112這樣耦合光，使得有些光穿過波導(dǎo)116，而有些光以″波導(dǎo)模式″的形式沿著波導(dǎo)的長度9傳播。圖4B中圖解說明這種功能的示意的描述。如將會從圖4B看出的，人們可以根據(jù)所述樣品和它的特性選擇足以照射所述樣品但是將光污染減到最小的波導(dǎo)照明裝置。
如將從說明書附圖和對其進(jìn)行的討論明白的，選擇所述波導(dǎo)照明裝置，使得不會以不確定的方式改變所述照明光的相位信息，因而產(chǎn)生無法分析的數(shù)據(jù)。為此目的，檢測器125檢測出來的所述光的信噪比(見圖4B)約大于1，并且在一個(gè)實(shí)施例中，約大于2。
再一次參見圖4A，光柵耦合器112是一個(gè)傳統(tǒng)的商售的光柵耦合器。因而，以圖解說明的方式和非限制性的，可以使用一個(gè)或多個(gè)在美國專利5,218,584；5,153,860；5,070,488；4,868,803；5,363,226；5,481,516等等中描述的光柵耦合器。這些美國專利中每一個(gè)的整個(gè)公開均附于本說明書作參考。
在圖4C中圖解說明另一個(gè)光柵耦合器712的一個(gè)實(shí)施例。參見圖4C，將會看出，相干光線714、716、718和720分別射在衍射光柵G3，G2，G4和G1上。這些光柵衍射的光中的一些穿過波導(dǎo)722。所述光波相干地在樣品區(qū)域724中相互作用，以便形成可控的干涉圖；在所述干涉圖中，控制空間和時(shí)間兩維。如將明白的，可以使用其它產(chǎn)生所需輸出的裝置或系統(tǒng)。因而，例如可以使用具有一個(gè)或多個(gè)耦合區(qū)域的波導(dǎo)116。
再一次參見圖4A和4B，波導(dǎo)116是對感興趣的照明波長具有良好的傳輸特性的平面波導(dǎo)。例如，可以使用一個(gè)或多個(gè)先有技術(shù)中描述的平面波導(dǎo)，諸如在美國專利6,432,292；6,215,928；6,160,824；5,485,277；6,546,163；5,365,243和4,961,618的權(quán)利要求書中所描述的那些平面波導(dǎo)。這些美國專利中每一個(gè)的整個(gè)公開均附于本說明書中作參考。
在一個(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)116由無定形材料(諸如玻璃)和/或晶體材料制成。
再一次參見圖4A和4B，耦合入射相干光118通過波導(dǎo)116傳播至樣品支架，在樣品支架中耦合入射相干光118被樣品的特征散射和/或衍射，變?yōu)閿_動小波19。
用波導(dǎo)來把照明輻射射向所述樣品(如圖4A和4B所示)，而不是如圖3所示那樣直接是高度地結(jié)構(gòu)的暗場照明或近場成像類型?？臻g連接到波導(dǎo)空腔內(nèi)的干擾模式的迅衰波擴(kuò)展到超出所述波導(dǎo)表面并進(jìn)入設(shè)置其上的物體樣品。感興趣的物體將與這些迅衰場相互作用并把光能側(cè)向散射進(jìn)入顯微鏡。這樣，與利用更直接的照明方法相比，致密波導(dǎo)中具有＜＜λ/2的特征的干擾波可以分辨更多的物體細(xì)節(jié)。
圖5是光學(xué)顯微鏡250的另一個(gè)實(shí)施例的部件示意圖。除在圖3所描繪的實(shí)施例中和伴隨的描述性的正文所描述的部件以外，光學(xué)顯微鏡250包括樣品激發(fā)單元202。樣品激發(fā)單元202發(fā)送激發(fā)信號204，部分地或整個(gè)沖擊樣品122。例如，激發(fā)信號204是激光和/或其它光波、聲波、電場、磁場、液體激發(fā)器、氣體激發(fā)器、離子束、電子束和/或其它樣品激發(fā)裝置。在另一個(gè)實(shí)施例(未示出)中，可以包括作為樣品支架120的一部分的樣品激發(fā)裝置并且可以包括一個(gè)或多個(gè)納米探頭，例如納米管等等，它們用于通過與樣品122機(jī)械接觸來激發(fā)樣品。在另一個(gè)實(shí)施例中，樣品激發(fā)單元202還包括檢測裝置或系統(tǒng)，用于檢測樣品的生理特性和/或其它特性，例如，溫度、表面膜張力、樣品122發(fā)出的氣體、樣品122發(fā)出的電磁(包括光)信號、樣品的形狀等等。在某種刺激下，可以觀察在活體系統(tǒng)發(fā)生了什么。假如被觀察的系統(tǒng)是活體，則加入很小受控刺激是為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
再一次參見圖5，將會看出，樣品激發(fā)單元202任選地通過通信線路206連接到PLU 150。在一個(gè)實(shí)施例中，樣品激發(fā)單元202受PLU 150中可編程算法的控制。在另一個(gè)實(shí)施例中，樣品激發(fā)單元202受PLU 150中可編程算法的控制，部分地或整個(gè)地基于定時(shí)序列。在另一個(gè)實(shí)施例中，PLU 150接收來自樣品激發(fā)單元202的檢測數(shù)據(jù)。在又一個(gè)實(shí)施例中，PLU 150根據(jù)對檢測數(shù)據(jù)采樣并且對數(shù)據(jù)庫采樣或相反詢問數(shù)據(jù)庫的算法來調(diào)整對樣品122的激發(fā)。在又一個(gè)實(shí)施例中，PLU 150使顯微鏡200的操作者(未示出)能夠?qū)崟r(shí)地調(diào)整樣品激發(fā)單元202的參數(shù)和功能。
在另一個(gè)實(shí)施例中(圖中未示出)，提供密封圖3，4A或5中的樣品122的密封罩。在另一個(gè)實(shí)施例中，密封顯微鏡的部分或全部其它部件。在一個(gè)實(shí)施例中，所述密封罩密封光通過顯微鏡的所有路徑(否則，這些路徑將向正常大氣開放)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述密封罩用來保持一種氣體。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述密封罩連接到真空泵，并用來維持部分真空。
圖6是光學(xué)顯微鏡400的部件例圖，帶有多個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)420、434、448、456，分別通過通信線路422、436、450、458連接到PLU150。小波19被分解并且通過分束器410、424、438被引導(dǎo)到每一個(gè)攝像機(jī)中。使用多個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)就可以對擾動小波相位信息進(jìn)行較快的并行處理。這種配置也可以用來通過相位分集、相位編碼或其它相位處理(這些處理是后樣品光交互式的)在算法上提取樣品的成像光相位信息。
圖7是光學(xué)顯微鏡600的部件例圖，帶有通往遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)604的雙向網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)606。在一個(gè)實(shí)施例中，PLU 602向運(yùn)行圖像結(jié)構(gòu)軟件(未示出，但是見上面引用的Gerchberg等人的圖像結(jié)構(gòu)專利)的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)604發(fā)送原始的圖像數(shù)據(jù)，來構(gòu)造最后圖像(未示出)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)604把最后圖像(未示出)發(fā)送到本地的PLU系統(tǒng)602，準(zhǔn)備向本地的顯微鏡操作者(未示出)顯示。在一個(gè)實(shí)施例中，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)604在數(shù)據(jù)存儲器介質(zhì)(未示出)中既存儲所收集的原始圖像數(shù)據(jù)，又存儲所述構(gòu)造的圖像。在另一個(gè)實(shí)施例中，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)604包括附加的建模軟件(未示出)，所述建模軟件接收構(gòu)造好的圖像(未示出)并產(chǎn)生成像樣品的3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或其它計(jì)算機(jī)模型(未示出)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)604把3D計(jì)算機(jī)模型(未示出)發(fā)送至本地的顯微鏡PLU系統(tǒng)602，后者具有附加的軟件(未示出)來向本地顯微鏡操作者(未示出)顯示所接收的3D計(jì)算機(jī)模型(未示出)。
在另一個(gè)實(shí)施例中(未示出)，與圖3，4A，5，6，或7中的類似的顯微鏡具有機(jī)器人樣品裝填器(未示出)。在所述實(shí)施例中，沒有本地的顯微鏡操作者。在一個(gè)實(shí)施例中，樣品裝填器(未示出)受PLU 602中的程序(未示出)的控制。在另一個(gè)實(shí)施例中，樣品裝填器(未示出)受遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)604上的計(jì)算機(jī)程序界面(未示出)和遠(yuǎn)程操作者(未示出)遠(yuǎn)程控制，操作者通過計(jì)算機(jī)程序界面發(fā)出命令。
用于修改光相干體積的最佳裝置。
圖8等示意地圖解說明本申請人的處理和設(shè)備能夠解決的問題之一。艾里斑是均勻照射的、無色差的圓形光學(xué)元件或系統(tǒng)的焦點(diǎn)衍射圖的中央峰值(包括第一個(gè)零或暗環(huán)形內(nèi)部的任何東西)?？梢詤⒖济绹鴮＠?,385,157；5,612,818；5,457,533；5,392,271；4,975,237等等。這些美國專利的整個(gè)公開均附于本說明書作參考。圖8圖解說明透鏡1000，通過該透鏡發(fā)射平面波1002。透鏡1000最好是衍射置限的，從而產(chǎn)生艾里斑。在圖8中圖解說明這種理想化的情況。一般，成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等于或者大于艾里斑的直徑。圖8中通過引用上列方程式給出艾里斑直徑。
本說明書本節(jié)中討論的余下部分中，將引用理想化艾里斑的情況。但要明白，對這種艾里斑所作的任何說明都同樣涉及點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。
圖9是細(xì)胞1100的示意的例圖，細(xì)胞1100包括可分辨的亞細(xì)胞單位1102和不可分辨的亞細(xì)胞特征1104。
艾里斑的直徑″dairy″除以M(成像系統(tǒng)的光學(xué)放大倍數(shù))產(chǎn)生體積基準(zhǔn)因數(shù)。尺寸1106和1108中的每一個(gè)都顯著地大于至少為2而最好至少為3的所述體積基準(zhǔn)因數(shù)。
亞細(xì)胞單位1102的直徑一般是所述體積基準(zhǔn)因數(shù)的至少兩倍。在一個(gè)實(shí)施例中，單位1102的折射率不同于單位1104的折射率，而整個(gè)細(xì)胞的折射率最好不同于單位1102和1104的折射率。
圖10是輸入電場與相位體積的相互作用的示意的例圖。輸入電場1200在一段時(shí)間內(nèi)(見Δt)與物體1202相互作用?！濡″對于成像系統(tǒng)必須足夠大，以便從用于每一個(gè)函數(shù)En(x，y，tn)的檢測器采集散射和/或衍射光的光學(xué)相位。圖10中討論了對最佳系統(tǒng)的其他要求。這些要求規(guī)定如何對輸入電場En進(jìn)行最佳的空間和時(shí)間調(diào)制。
圖11是使本專業(yè)普通技術(shù)人員可以確定他是否已經(jīng)正確地實(shí)施申請人的處理過程的測試組合件的示意圖。參見圖11，申請人的處理過程產(chǎn)生符合在這樣的圖中指定的判據(jù)的圖像。
圖12是利用分束器3002的處理過程3000的示意圖。相干光束3004(基準(zhǔn)光束)包括相干體積3004/1，3004/2，3004/3等。光束3004最好在箭頭3006的方向上傳播。
同時(shí)，相干光束3008穿過樣品3012在箭頭3010的方向上傳播。相干體積3008/1與相干體積3004/1相互作用，相干體積3008/2與相干體積3004/2相互作用，而相干體積3008/3與相干體積3004/3相互作用；這些相互作用是干涉，而它們提供有關(guān)已經(jīng)與樣品相互作用的光的相位信息。
圖13圖解說明″剪切干涉″過程3100，″剪切干涉″過程3100類似于圖12中描繪的過程，但是其中基準(zhǔn)光束3004在箭頭3011(見圖13)的方向而不是在箭頭3006(見圖12)的方向傳播。如將明白的，圖12和/或13的兩個(gè)過程或其中一個(gè)都可以與在圖1-7中所描繪的任何裝置一起使用。
圖14是過程3800的示意圖，過程3800用于利用多個(gè)相干線程3802和3804在3個(gè)軸上掃描沒有示出的三維樣品。
圖14A是用于在3個(gè)軸上(軸4004、軸4006和軸4008)掃描三維樣品4002的過程4000的示意的例圖。在不同的時(shí)刻在不同的軸上進(jìn)行了不同的測量。
在所述描繪的實(shí)施例中，使相干線程4010在基準(zhǔn)區(qū)4012內(nèi)在x，y和z軸上移動；因而，在擾動相互作用區(qū)4014中產(chǎn)生所述干涉信息。如將明白的，相干線程4010是較大的相干體積4016的一部分，在所描繪的實(shí)施例中，它具有不規(guī)則的三維形狀。如將明白的，可以使用一個(gè)以上這樣的相干線程。
在一個(gè)實(shí)施例中，用于提供光束3004的裝置(基準(zhǔn)光束)是一條光纖，其遠(yuǎn)端纖芯直徑小于約1微米，最好小于約0.5微米。在所述實(shí)施例中，這樣的遠(yuǎn)端可以用來掃描或者細(xì)胞壁外或者細(xì)胞壁內(nèi)的細(xì)胞體積。這樣的光纖的遠(yuǎn)端最好包括穿透細(xì)胞膜的裝置。所述光纖最好由生物相容的玻璃制成。
圖15描述一個(gè)類似于在圖14中描繪過的過程，除了以下各點(diǎn)以外基準(zhǔn)區(qū)4012在樣品4002外面；基準(zhǔn)區(qū)4013不同于基準(zhǔn)區(qū)4012；以及相干線程4011不同于相干線程4010。結(jié)果觀察區(qū)4015不同于觀察區(qū)4014。
權(quán)利要求
1.一種將樣品成像的方法，所述方法包括(a)在時(shí)間上把相干波分成多個(gè)相干小波；(b)按照不同的已知量對每一個(gè)相干小波的相位進(jìn)行空間調(diào)制，從而產(chǎn)生多個(gè)已調(diào)小波；(c)使每一個(gè)已調(diào)小波與所述樣品相互作用，從而產(chǎn)生多個(gè)擾動小波；(d)建立每一個(gè)擾動小波的空間相位映像；(e)從每一個(gè)擾動小波空間相位映像構(gòu)造樣品圖像；以及(f)對全部所述樣品圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，以便產(chǎn)生所述樣品的最后的平均圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個(gè)相干小波是從所述相干波的一個(gè)相干長度或者更小長度內(nèi)建立的。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述相干波是來自激光器的電磁輻射。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中通過把所述相干波饋入光纖延遲線并且利用于電子控制耦合部件釋放每一個(gè)相干小波來把所述相干波在時(shí)間上分為多個(gè)相干小波。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述光纖延遲線還包括光泵，以便補(bǔ)償光損耗。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述激光器以單一縱模工作。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述激光器以單一橫模工作。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述相干波是電磁輻射，其波長在約30至1000微米范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其中利用可旋轉(zhuǎn)平面反射器來實(shí)現(xiàn)每一個(gè)相干小波的空間調(diào)制，通過使所述平面反射器旋轉(zhuǎn)不同的角度量來產(chǎn)生每一個(gè)相干小波的空間調(diào)制的每一個(gè)已知的不同量。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，其中利用液晶器件來實(shí)現(xiàn)每一個(gè)相干小波的空間調(diào)制。
11.如權(quán)利要求2所述的方法，其中利用聲光裝置來實(shí)現(xiàn)每一個(gè)相干小波的空間調(diào)制。
12.如權(quán)利要求2所述的方法，其中利用光學(xué)透鏡把每一個(gè)已調(diào)小波射向所述樣品。
13.如權(quán)利要求2所述的方法，其中利用波導(dǎo)把每一個(gè)已調(diào)小波射向所述樣品。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中通過光柵耦合器把每一個(gè)已調(diào)小波耦合到波導(dǎo)中。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述光柵耦合器還包括多個(gè)衍射光柵。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中每一個(gè)已調(diào)小波都透射過所述樣品。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中每一個(gè)已調(diào)小波都從所述樣品上反射。
18.如權(quán)利要求2所述的方法，其中通過用圖像構(gòu)造程序編程的計(jì)算裝置，從每一個(gè)擾動小波空間相位映像構(gòu)造每一個(gè)樣品圖像，所述計(jì)算裝置連接到一個(gè)或多個(gè)檢測器系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)檢測器系統(tǒng)建立擾動小波空間相位映像。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)檢測器系統(tǒng)中的每一個(gè)包括連接到空間相位測量系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
20.如權(quán)利要求2所述的方法，其中還包括以下步驟在相互作用步驟(c)以前利用外部刺激源來激發(fā)所述樣品。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中從由電磁輻射、聲波、電場、磁場、化學(xué)激發(fā)、離子射束、電子束和它們的組合構(gòu)成的組中選擇所述外部刺激源。
22.如權(quán)利要求2所述的方法，其中還包括以下步驟與所述相互作用步驟(c)同時(shí)利用外部刺激源激發(fā)所述樣品。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中從由電磁輻射、聲波、電場、磁場、化學(xué)激發(fā)、離子束、電子束和它們的組合構(gòu)成的組中選擇所述外部刺激源。
24.一種用于形成樣品圖像的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括發(fā)射相干輻射波的光源；時(shí)間調(diào)制系統(tǒng)，它設(shè)置成采集所述相干波，所述時(shí)間調(diào)制系統(tǒng)在時(shí)間上把所述相干波分成多個(gè)相干小波；空間調(diào)制系統(tǒng)，它設(shè)置成采集每一個(gè)相干小波，所述空間調(diào)制系統(tǒng)按照不同的已知量在空間上調(diào)制每一個(gè)相干小波的所述相位，從而產(chǎn)生多個(gè)已調(diào)小波；輻射發(fā)射系統(tǒng)，它設(shè)置成使每一個(gè)已調(diào)小波射向所述樣品，從而建立多個(gè)擾動小波，其結(jié)果是，每一個(gè)已調(diào)小波與所述樣品相互作用；檢測系統(tǒng)，它設(shè)置成檢測每一個(gè)擾動小波，所述檢測系統(tǒng)建立每一個(gè)擾動小波的空間相位映像；計(jì)算系統(tǒng)，它連接到所述檢測系統(tǒng)，所述計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)每一個(gè)擾動小波的空間相位映像構(gòu)造多個(gè)樣品圖像并對所述多個(gè)樣品圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，以便產(chǎn)生所述樣品的最后的平均圖像。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述時(shí)間調(diào)制系統(tǒng)在時(shí)間上在所述相干輻射波的相干長度或者更小的長度內(nèi)把所述相干波分成多個(gè)相干小波。
26.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述光源包括激光器。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述時(shí)間調(diào)制系統(tǒng)包括連接到以電子方式控制的釋放耦合部件的光纖延遲線。
28.如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述光纖線路還包括光泵，用于補(bǔ)償光損耗。
29.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述激光器以單一縱模工作。
30.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述激光器以單一橫模工作。
31.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述相干輻射波具有約30至1000微米范圍內(nèi)的波長。
32.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述空間調(diào)制系統(tǒng)包括可旋轉(zhuǎn)的平面反射器，通過所述反射器的不同的旋轉(zhuǎn)角度來產(chǎn)生每一個(gè)不同的已知量的空間調(diào)制。
33.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述空間調(diào)制系統(tǒng)包括液晶器件。
34.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述空間調(diào)制系統(tǒng)包括聲光裝置。
35.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述輻射發(fā)射系統(tǒng)包括光學(xué)透鏡。
36.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述輻射發(fā)射系統(tǒng)包括波導(dǎo)。
37.如權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述輻射發(fā)射系統(tǒng)還包括光柵耦合器，所述光柵耦合器把所述已調(diào)小波耦合到所述波導(dǎo)中。
38.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中所述光柵耦合器還包括多個(gè)衍射光柵。
39.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中每一個(gè)已調(diào)小波都透射過所述樣品。
40.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中每一個(gè)已調(diào)小波都是從所述樣品反射。
41.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述檢測系統(tǒng)包括連接到空間相位測量系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
42.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中還包括樣品激發(fā)系統(tǒng)，所述樣品激發(fā)系統(tǒng)在每一個(gè)已調(diào)小波與所述樣品相互作用以前，用外部刺激源激發(fā)所述樣品。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其中所述外部刺激源是從由電磁輻射、聲波、電場、磁場、化學(xué)激發(fā)器、離子束、電子束和它們的組合構(gòu)成的組中選擇的。
44.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中還包括樣品激發(fā)系統(tǒng)，所述樣品激發(fā)系統(tǒng)在每一個(gè)已調(diào)小波與所述樣品相互作用的同時(shí)，用外部刺激源激發(fā)所述樣品。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述外部刺激源是從由電磁輻射、聲波、電場、磁場、化學(xué)激發(fā)器、離子束、電子束和它們的組合構(gòu)成的組中選擇的。
全文摘要
一種產(chǎn)生斑紋數(shù)量減少的數(shù)字圖像的相干輻射成像系統(tǒng)。來自長相干長度光源的輻射用來形成樣品的圖像。把輸出的相干波在時(shí)間上分為多個(gè)小波。然后按照已知的和不同的量調(diào)制每一個(gè)小波的空間相位。每一相位調(diào)制小波照射樣品并被它與樣品的相互作用擾動。然后建立每一個(gè)擾動小波的空間相位映射并用圖像重構(gòu)程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為樣品圖像。對這樣形成的多個(gè)樣品圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，以便形成最后的平均圖像。用光學(xué)方法不可分辨的高頻斑紋往往被連續(xù)的統(tǒng)計(jì)平均平均至零，只剩下用光學(xué)方法可分辨的頻率較低的相位信息。
文檔編號G01J5/02GK1902639SQ200480040061
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月10日
發(fā)明者D·F·弗雷勒維茨, R·格雷, R·格奇伯格, M·維納 申請人:科技創(chuàng)新有限責(zé)任公司