專利名稱:用于光學(xué)捕獲和材料檢查的全息顯微系統(tǒng)和方法
用于光學(xué)捕獲和材料檢查的全息顯微系統(tǒng)和方法 交叉參考相關(guān)申請
本發(fā)明針對全息光學(xué)捕獲系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用由計算機建 立的全息圖所產(chǎn)生的光陷阱，來組織材料，并以三維(3-D)方式應(yīng) 用顯微鏡光學(xué)裝置，來檢查和分析該材料。更具體地說，是一種全息 視頻顯微鏡系統(tǒng)，它使用實時分辨的3-D微結(jié)構(gòu)的體積像，完成材料 組合的分析和檢查。
背景技術(shù)：
全息光學(xué)捕獲使用計算機產(chǎn)生的全息圖，捕獲微米尺度 的物體并將其組織成任意的三維配置。在用于檢驗光學(xué)捕獲的結(jié)構(gòu)的
現(xiàn)有技術(shù)中，除常規(guī)的兩維顯微術(shù)外，尚沒有補充的方法可供使用。 對各種應(yīng)用，諸如，在把全息組織的系統(tǒng)固定在適當(dāng)位置前，驗證這 些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，三維成像是有用的。對互作用地處理及檢查三維結(jié)構(gòu) 的物體，諸如生物試樣，三維成像也是有用的。綜合三維成像與全息 捕獲，看來是直截了當(dāng)?shù)模驗閮煞N技術(shù)都能使用相同的物鏡，分別 收集和投射激光器的光。但是，常規(guī)的三維成像方法，諸如共焦顯微 術(shù)，需要在機械上平移焦平面通過樣品。但是，全息阱是相對于焦平 面定位的，也一樣需要移動。捕獲圖形必需平移，以補償顯微鏡的機 械運動，這樣將大大增加復(fù)雜性，極大地降低成像速度，及可能弄碎 接受檢驗和分析的樣品。
發(fā)明內(nèi)容
[0005]數(shù)字全息顯微術(shù)解決現(xiàn)有技術(shù)的所有問題，給出實時三 維(3-D)成像數(shù)據(jù)，無需任何機械運動，包含不必平移焦平面通過 受分析的樣品。同軸全息顯微術(shù)特殊的可兼容的多樣性，用準(zhǔn)直激光 器代替亮場顯微鏡中的常規(guī)照明器。被物體散射出激光束的光，與入 射照明的剩余部分干涉，產(chǎn)生外差散射圖形，該外差散射圖形被物鏡 放大并用視頻攝像機記錄。只要該干涉圖形沒有被許多光散射弄模 糊，那么它就包含有關(guān)該散射體的三維配置的全面信息。在得到的視 頻流中每一幅兩維瞬態(tài)圖，都是對時間分辨體積信息的編碼，該時間 分辨體積信息能夠被直接分析，或數(shù)值解碼為三維表示。該系統(tǒng)和方
法能實現(xiàn)在全息光學(xué)處理系統(tǒng)中的數(shù)字全息顯微術(shù)的迅速商業(yè)利用， 且該系統(tǒng)和方法使用組合的能力，直接評定兩種技術(shù)的精度并建立任 何限制。
本發(fā)明的各種細(xì)節(jié)方面在本文后面描述，而本發(fā)明的這 些和其他改進及特征，則在本文后面詳細(xì)描述，其中包括下面一段中 對附圖的說明。


圖l表明按照本發(fā)明構(gòu)建的系統(tǒng)；
圖2A表明，在w平面中捕獲的5個膠體球(標(biāo)尺為5 微米)的常規(guī)亮場像；圖2B表明圖2A繞y軸旋轉(zhuǎn)45。的圖形；圖2C 表明在"平面中看到的圖2B旋轉(zhuǎn)的圖形的亮場像；圖2D表明在w 平面中看到的相同結(jié)構(gòu)的相干像；而圖2E表明，通過該傾斜圖形的 ;cz截片的全息再現(xiàn)(圓圏標(biāo)明所指粒子的坐標(biāo))。
捕獲光束40最好用調(diào)諧到捕獲激光器波長的分色鏡50， 中繼到物鏡20。其他波長則通過分色鏡50，并在CCD攝像機60(例 如NECTI-324AI1)上成像。在最可取的實施例中，白織燈照明器與 會聚透鏡62的標(biāo)準(zhǔn)組合，被氦氖激光器代替，該氦氖激光器提供5 mW的相干光準(zhǔn)直光束，空氣中的波長是X=632 nm。該系統(tǒng)10還包 括計算機65，用本領(lǐng)域熟知的常規(guī)軟件，執(zhí)行本文給出的所有方程式 的計算，以處理檢測的像數(shù)據(jù)和分析這些像數(shù)據(jù)。計算機65還可以 包含任何常規(guī)可執(zhí)行的存儲器，諸如ROM、 RAM、或其他能存儲程 序、數(shù)據(jù)、或其他指令的熟知的存儲器，這些指令的執(zhí)行，能夠滿足 本文描述的分析功能。
圖2D表示相同的視場，但用激光照明。因為粒子散射的 激光器的光與輸入激光束30未被衍射部分的相干疊加，每一粒子70 在該像中出現(xiàn)。像中的其他特征，是由系統(tǒng)10的光學(xué)序列中的表面 的反射、折射、和散射而產(chǎn)生的。通過減去視場中沒有粒子或沒有被 捕獲的結(jié)構(gòu)所獲得的參考像，能夠使這些特征減至最小。
對在焦平面上方高度z'處的物體場的Fourier變換的估 算，是通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)娜鹄?索莫菲傳播函數(shù)，使有效的焦平面平移而 獲得的
方程式(9)能夠從單幅全息瞬態(tài)圖/(r),再現(xiàn)受檢查樣 品中的即時光場的體積表示。圖2E中的該像，就是通過被再現(xiàn)的強
度分布lu(r，z)P的斷面。
當(dāng)物體沿光軸相互遮擋，如圖4A和4B所示時，分析像 變得更具挑戰(zhàn)性。這里，與圖2A-2E相同的球70的圖形，已被轉(zhuǎn)過 90°,于是，4個球70沿光軸80排成一列。圖4A是得到的全息圖的 細(xì)節(jié)，而圖4B是沿該結(jié)構(gòu)的豎直平面的全息再現(xiàn)。從圖4B中央觀察， 所有4個球70已被分辨，哪怕它們相互直接遮擋。第5個球70，沒 有被其他球直接遮擋，包含在圖中作為參考，且在圖4A和4B中在其 他球的右側(cè)可以看到。
圖4B最上面的球70，看似比更接近焦平面被捕獲的那些 球顯著更暗；而圖4A和4B通過給出光場的振幅I u(r，z) I而不是強度， 對此作了補償。但是，參考球70不比它鄰近的被遮擋的球更亮，也 不比圖2A-2E中任一球70更暗。說得更確切些，更下面的球70起透 鏡的作用，收集從上面散射的光，并把光會聚到光軸80。結(jié)果是，這 些球70看似比正常的顯著更亮，且它們的像發(fā)生畸變。方程式(9) 在再現(xiàn)光場時，沒有考慮這種多重光散射。
[0030
在解釋這樣的結(jié)果時得到的不確定性，能夠通過從多個 焦平面采集像，或通過從多個角度照亮被研究的樣品，而不是直接的 同軸照明，可以緩解該不確定性。還可以通過更精確的記錄，改善所 得到的結(jié)果。我們的全息像中每一像素，包含約6比特有用的信息， 并且沒有企圖對攝像機的響應(yīng)進行線性化。攝像機60設(shè)在1/2000秒 的快門速度，無論如何，在每次曝光中，這樣的速度允許某個粒子的 運動。更寬的動態(tài)范圍、校準(zhǔn)的強度響應(yīng)、和更快的快門，所有這些 將給出更清晰的、更精確的全息圖，從而給出更清楚的三維再現(xiàn)。
[0031
基于這些告誡，圖4B的像突顯用于三維全息處理的全息 成像的潛在重要性。即使最遠(yuǎn)距離的粒子70和參考粒子兩者，都被 定位在投射到相同高度的光鑷子中，但最遠(yuǎn)距離的粒子70看似沿光 軸相對于參考粒子位移。三維可視性證實被投射的捕獲場的結(jié)構(gòu)。對 傾斜小于約80°，表觀上的軸向位移是不明顯的。由此，表觀軸向位
ii移，要么反映三維成像的贗像，要么最可能是粒子70離開它們的設(shè) 計配置的真實位移。這是合理的，因為從被投射到更靠近焦平面的阱 來的光，對更深入樣品中的被捕獲粒子施加力。這種效應(yīng)由于更靠近 焦平面的被捕獲粒子而變得更嚴(yán)重，這些粒子把光偏折到更遠(yuǎn)的粒子 上，改變它們有效的勢能阱。這種效應(yīng)已經(jīng)被用在沿線狀Bessel光束 捕獲的粒子的同軸光學(xué)結(jié)合中。全息成像為測量這種畸變提供一種手 段，從而為改正這種畸變提供基礎(chǔ)。這對諸如光子異質(zhì)結(jié)構(gòu)的全息組 合的處理過程，至關(guān)重要，光子異質(zhì)結(jié)構(gòu)的全息組合，有賴于對這種 粒子或物體的顯微鏡的準(zhǔn)確放置。
[0032
前面對本發(fā)明實施例的描述，是為演示和說明的目的而 給出。不企圖窮舉或把本發(fā)明限制在所公開的精確形式，因為借鑒上 述教導(dǎo)，可以進行修改和變化，或者可以從實施本發(fā)明中進行修改和 變化。實施例的選取和描述，是為了解釋本發(fā)明的原理和它的實際應(yīng) 用，以便使本領(lǐng)域熟練人員能在各種實施例中，并以認(rèn)為適合具體應(yīng) 用的各種修改，利用本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.在進行光學(xué)捕獲的結(jié)構(gòu)的3D全息顯微術(shù)的方法中，包含的步驟有提供光學(xué)顯微鏡；產(chǎn)生有輸入到該倒置光學(xué)顯微鏡的相關(guān)聯(lián)的成像波長的激光束；產(chǎn)生多個光陷阱，該改進包括使用有純相位全息圖的捕獲激光束波前，該純相位全息圖對需要的光學(xué)捕獲圖形編碼，且該捕獲激光束有相關(guān)聯(lián)的捕獲波長；為該倒置光學(xué)顯微鏡提供物鏡，該物鏡用于投射該多個光陷阱及收集被捕獲結(jié)構(gòu)的同軸全息像兩者；以及為該被捕獲結(jié)構(gòu)的三維全息顯微術(shù)，向CCD攝像機提供該被捕獲結(jié)構(gòu)的像。
2. 按照權(quán)利要求
l的方法，還包含步驟把分色鏡插入物鏡和 CCD攝像機之間，該分色鏡被調(diào)諧到捕獲激光束的捕獲波長。
3. 按照權(quán)利要求
1的方法，其中該像包含重影，該重影能夠借 助使被捕獲結(jié)構(gòu)離開焦平面的平移而減至最小。
4. 按照權(quán)利要求
1的方法，其中該成像激光束由氦氖激光器提 供，該氦氖激光器有準(zhǔn)直光束輸出。
5. 按照權(quán)利要求
1的方法，其中該倒置光學(xué)顯微鏡包含焦平面， 且該方法不包含用于進行對被捕獲結(jié)構(gòu)的三維顯微術(shù)的機械運動。
6. 按照權(quán)利要求
l的方法，還包含步驟從CCD攝像機上形 成的像中減去參考像，從而消除沒有被捕獲的結(jié)構(gòu)存在時的變化的背 景照明。
7. 按照權(quán)利要求
l的方法，其中被捕獲結(jié)構(gòu)的像，包括用于再 現(xiàn)三維復(fù)值光場的兩維實值像。
8. 按照權(quán)利要求
1的方法，包含用瑞利-索莫菲形式體系分析 該像的附加步驟。
9. 按照權(quán)利要求
8的方法，其中該瑞利-索莫菲形式體系，包 含分析被捕獲結(jié)構(gòu)沿倒置光學(xué)顯微鏡光軸的傳播。
10. 按照權(quán)利要求
9的方法，其中該被捕獲結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡焦 平面的上游距離z處引起散射場w(r，z)，且該散射場"(r，z)用下式再現(xiàn)<formula>formula see original document page 3</formula>
11. 按照權(quán)利要求
l的方法，還包含步驟通過求解下面的方程 式，再現(xiàn)該像的3D光場i;(r， z):y(/"，z)s|D(r，z)| exp(昧z))-A廠5(《)i/. p(/^>^
12. 按照權(quán)利要求
ll的方法，其中該光場u (r， z)是從該像的單 幅全息瞬態(tài)圖再現(xiàn)的。
13. 按照權(quán)利要求
12的方法，還包含步驟跟蹤被捕獲結(jié)構(gòu)的運動o
14. 按照權(quán)利要求
12的方法，其中，該被捕獲結(jié)構(gòu)包括多個被 遮擋的物體，而該三維像被再現(xiàn)，且在該再現(xiàn)光場中物體全部被分辨。
15. 按照權(quán)利要求
l的方法，還包含步驟從光學(xué)顯微鏡的多個 焦平面獲取像數(shù)據(jù)，從而提高該被捕獲結(jié)構(gòu)像的精度。
16. 在用于進行光學(xué)捕獲的結(jié)構(gòu)的三維全息顯微術(shù)的系統(tǒng)中，包 含光學(xué)顯微鏡；用于產(chǎn)生捕獲激光束的激光光源；為在捕獲激光束 上打上印記而提供純相位全息圖的空間光調(diào)制器；用于產(chǎn)生成像激光 束的激光光源，該改進包括捕獲激光束，該捕獲激光束有對需要的光 捕獲圖形進行編碼的純相位全息圖；與包括倒置顯微鏡的該光學(xué)顯微 鏡相關(guān)聯(lián)的物鏡；用于檢測由于被捕獲結(jié)構(gòu)成像而產(chǎn)生的激光的CCD 攝像機，且該CCD攝像機輸出像數(shù)據(jù)；以及用計算機可執(zhí)行的計算 機軟件，分析該像數(shù)據(jù)的計算機。
17. 按照權(quán)利要求
16的系統(tǒng)，其中該激光光源，包括產(chǎn)生相干 光的準(zhǔn)直光束的激光器。
18. 按照權(quán)利要求
16的系統(tǒng)，還包括置于物鏡和CCD攝像機 之間的分色鏡。
19. 按照權(quán)利要求
16的系統(tǒng)，其中該計算機軟件包括數(shù)學(xué)形式體系，這些數(shù)學(xué)形式體系，包含對由CCD攝像機接收的激光束光場u (r， z)的瑞利-索莫菲確定。
20.按照權(quán)利要求
16的系統(tǒng)，其中該瑞利-索莫菲確定，包括由計算機執(zhí)行的被嵌入計算機的軟件，用于計算 y(r， z) s
z〗exp(W(r， z》<formula>formula see original document page 4</formula>
專利摘要
一種用于進行光學(xué)捕獲的結(jié)構(gòu)的三維全息顯微術(shù)的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)使用倒置光學(xué)顯微鏡，使用產(chǎn)生捕獲激光束的激光光源，其中該激光束被物鏡聚焦成多個光陷阱。該方法和系統(tǒng)還使用成像波長上的準(zhǔn)直激光器，照明由光陷阱建立的結(jié)構(gòu)。由光學(xué)捕獲的結(jié)構(gòu)散射的成像光形成全息圖，該全息圖由視頻攝像機成像并用光學(xué)形式體系進行分析，以確定光場，再現(xiàn)3-D像，供分析和評估。
文檔編號G21K1/00GKCN101632134SQ200880003125
公開日2010年1月20日 申請日期2008年1月25日
發(fā)明者D·G·格瑞爾, 李相赫 申請人:紐約大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan