專利名稱：用于計算深度切片的定量微分干涉差(dic)設備的制作方法
用于計算深度切片的定量微分干涉差(DIC)設備相關申請的交叉引用這是一件非臨時申請，其要求于2009年1月21日提交的題為“Quantitative differential interference contrast (DIC) microscopy and its computed depth sectioning ability”的第61/20M87號美國臨時專利申請的申請日的利益。為了所有目的，該臨時申請特此通過引用被全部并入。該非臨時申請與下面共同未決和共同轉讓的專利申請相關，為了所有目的，所述專利申請特此通過引用被全部并入于2005 年5 月 9 日提交的題為 “Optof luidic Microscope Device” 的第 11/125，718號美國專利申請。于2007 年3 月 14 日提交的題為 “Optofluidic Microscope Device” 的第 11/686，095號美國專利申請。于 2007 年 5 月 2 日提交的題為 “On-chip Microscope/Beam Profiler based on Differential Interference Contrast and/or Surface Plasmon Assisted Interference”的第11/743，581號美國專利申請。于2009 年 3 月 4 日提交的題為 “Methods of Using Optofluidic Microscope Devices”的第12/398, 098號美國專利申請。于2009 年 3 月 4 日提交的題為 “Optof luidic Microscope Device with Photosensor Array” 的第 12/398，050 號美國專利申請。于 2009 年 12 月 15 日提交的題為 “Techniques for Improving Optofluidic Microscope Devices” 的第 12/638，518 號美國專利申請。于 2009 年5 月 4 日提交的題為 “Quantitative Differential Interference Contrast (DIC)Microscopy and Photography based on Wavefront Sensors" 的第 12/435，165號美國專利申請。本發明的背景本發明的實施方式大體上涉及具有波陣面傳感器的定量微分干涉差(DIC)設備。 更具體地，某些實施方式涉及具有用在諸如顯微術或攝影術的應用中的波陣面傳感器并適于計算標本和其他物體的深度切片的定量DIC設備。DIC顯微鏡為光學透明的生物樣本提供了良好的反差而不需要將外源的反差試劑引入到樣本中。由于無創性質，DIC顯微鏡廣泛用在生物實驗室中。傳統的DIC顯微鏡和其他傳統的DIC設備通常通過首先建立利用偏振選擇的兩個相同的照明光場來操作。
圖1是傳統的Dic設備10的示意圖，設備10通過使偏振光的稍微偏移的兩個完全相同的圖像光場發生干涉來操作。傳統的DIC設備10包括將偏振光提供到物體30的照明光源20。如所示，光場穿過物體30透射且沿著χ方向相對于彼此橫向偏移。然后將凈相位滯后(通常為Mt)引入到所透射的圖像光場中的一個上。這兩個光場被允許在圖像平面40彼此發生干涉。更簡單地，該過程等效于復制所透射的圖像光場， 使一拷貝稍微橫向偏移并檢測這兩個光場在圖像平面40的干涉。
數學上，這暗示從傳統的DIC設備10觀察的具有放大因子M的DIC強度圖像42 由式(1)給出IDIC(x，y) = I ψ·(χ，y) I2=B (χ, y) +C (χ, y) *sin (arg ( Ψ (χ- Δ /2，y)) -arg ( Ψ (χ+ Δ /2，y)))^ Β(χ, y)+C(x, y)*(arg(￥ (χ-Δ/2, y))-arg(￥ (χ+Δ/2, y)))(1)其中B(x，y) = I (ψ(χ-Δ/2,γ)) |2+| (ψ(χ+Δ/2,γ)) 2，C(χ, y) =2 (ψ (χ-Δ/2, y)) | | (ψ (χ+Δ/2, y)) |，，且 Ψ (χ, y)是由顯微鏡為每個光場轉送的圖像波陣面，Φ.α，y)是DIC圖像波陣面。且Δ =Ma是與光場相關的穿過圖像的相對位移。式(1)中的最后一個表達式只有在相差較小的情況下才成立。然而，傳統的DIC設備具有幾個局限性。一個主要的局限性是傳統的DIC設備將相位變化變換為振幅(強度)變化。如式(1)所示，Dic強度圖像，IDi。(x，y)是微分相位的正弦函數，因此相位信息不能直接從DIC圖像的強度來解釋。而且，B(x，y)和C(x，y)項都含有振幅信息，因此DIC圖像含有糾結一起的振幅和相位信息。因此，相位變化不能容易地從由物體的吸收和/或散射產生的振幅(強度)變化中解開糾結。換句話說，傳統的DIC 設備不能區分開吸收效果和相位變化。由于振幅和相位信息的這個糾結及非線性相位梯度響應，傳統的DIC設備是固有地定性的，且不提供定量的相位測量。傳統的DIC設備的另一個局限性在于它們使用偏振光且依賴于其相位成像策略中的偏振。由于必須使用偏振光，傳統的DIC設備產生通常遭受明顯的偽像的影響的雙折射物體(例如，馬鈴薯淀粉存儲顆粒)的圖像。本發明的簡要概述本發明的實施方式涉及使用定量DIC設備來計算物體的深度切片的方法。引入到定量DIC設備中的物體改變了光場且引起具有振幅和相位梯度的圖像波陣面。在波陣面傳感器的背部的光探測器測量通過波陣面傳感器中的結構光圈(structured aperture)的光的分布。波陣面傳感器使用該光分布來分開測量在兩個正交方向上的波陣面的振幅和相位梯度。定量DIC設備從振幅和相位梯度用數字重構圖像波陣面，并將所重構的波陣面計算地傳播到在通過物體的厚度的不同深度處的平面。一個實施方式目的在于使用具有波陣面傳感器的定量微分干涉差設備來計算物體的深度切片的方法，所述波陣面傳感器具有一個或多個結構光圈、光探測器以及和在所述一個或多個光圈和所述光探測器之間的透明層。所述方法包括由光探測器通過一個或多個結構光圈接收光。該方法還包括基于所接收的光來測量圖像波陣面的振幅及基于所接收的光來測量在圖像波陣面的兩個正交方向上的相位梯度。然后，處理器使用所測量的振幅和相位梯度重構圖像波陣面并將所重構的波陣面傳播到在第一深度處與的物體相交的第一平面。另一個實施方式目的在于波陣面傳感器，其包括具有一個或多個結構光圈的光圈層、光探測器和在所述光圈層和光探測器之間的透明層。光探測器基于通過結構光圈接收的光來測量波陣面的振幅及在兩個正交方向上的相位梯度。另一個實施方式目的在于定量DIC設備，其包括波陣面傳感器及通信地耦合到波陣面傳感器的處理器。該波陣面傳感器包括具有一個或多個結構光圈的光圈層、光探測器和在所述光圈層和光探測器之間的透明層。光探測器基于通過所述結構光圈接收的光來測量波陣面的振幅和在兩個正交方向上的相位梯度。處理器使用所測量的振幅和相位梯度來重構波陣面。本發明的這些和其他實施方式將在下面被詳細描述。附圖的簡要描述圖1是傳統的DIC設備的示意圖。圖2是根據本發明的一個實施方式的定量DIC設備的示意圖。圖3是根據本發明的一個實施方式的在第一配置中的定量DIC設備的部件的側視圖的示意圖。圖4是根據本發明的一個實施方式的在第二配置中的定量DIC設備的部件的側視圖的示意圖。圖5是根據本發明的一個實施方式的在第三配置中的定量DIC設備的部件的側視圖的示意圖。圖6(a)是根據本發明的一個實施方式的具有SAI波陣面傳感器的定量DIC設備的部件的側視圖的示意圖。圖6(b)是根據本發明的一個實施方式的具有SAI波陣面傳感器的定量DIC設備的部件的側視圖的示意圖。圖6(c)是根據本發明的一個實施方式的具有SAI波陣面傳感器的定量DIC設備的部件的側視圖的示意圖。圖7(a) (1)是根據本發明的一個實施方式的以“ + ”符號配置的形式的二維結構光圈的透視圖的示意圖。圖7(a) (2)是根據本發明的一個實施方式的以“ + ”符號配置的形式的二維結構光圈的透視圖的示意圖.圖7(b)、(C)和(d)是根據本發明的實施方式的由二維結構光圈的掃描電子顯微鏡獲取的圖像。圖8是根據本發明的實施方式的具有SAI波陣面傳感器的定量DIC設備的部件的側視圖的示意圖。圖9是根據本發明的實施方式的具有Siack-Hartmarm波陣面傳感器的定量DIC 設備的部件的側視圖的示意圖。圖10(a)是包括以單個透光區的一維陣列的形式的透光區的強度OFM設備的部件的俯視圖的示意圖。圖10(b)是根據本發明的一個實施方式的具有OFM波陣面傳感器的定量DIC設備的部件的俯視圖的示意圖。圖11示出了根據本發明的實施方式的說明該傳播方法的示意圖。圖12是根據本發明的實施方式的使用處理器的傳播方法的示意圖。圖13(a)和12(b)是由傳統的顯微鏡獲取的聚焦方法的示意圖。圖14是根據本發明的實施方式的使用具有波陣面傳感器的定量DIC設備的計算深度切片方法的流程圖。圖15(a)是根據本發明的實施方式的波陣面傳感器的部件的側視圖。圖15(b)是根據本發明的實施方式的圖15(a)中的波陣面傳感器的部件的俯視圖。圖15(c)是根據本發明的實施方式的穿過結構光圈的中心的圖15(a)中的波陣面傳感器的部件的截面圖。圖16(a)是根據本發明的實施方式的使用具有SAI波陣面傳感器的定量DIC顯微鏡獲取的海星胚胎的強度/振幅圖像。圖16(b)是根據本發明的實施方式的基于使用具有SAI波陣面傳感器的定量DIC 設備獲取的海星胚胎的在X方向上的相位梯度的圖像。圖16(c)是根據本發明的實施方式的基于使用具有SAI波陣面傳感器的定量DIC 設備獲取的海星胚胎的在y方向上的相位梯度的圖像。圖16(d)、16(e)和16(f)示出了根據本發明的實施方式的當應用于圖16(a)、 16(b)和16(c)的原始振幅、微分相位χ和微分相位y數據的一些展開算法。圖17(a)是通過傳統的透射顯微鏡獲取的浸油的馬鈴薯淀粉存儲顆粒的圖像。圖17(b)是通過傳統的DIC顯微鏡獲取的浸油的馬鈴薯淀粉存儲顆粒的圖像。圖17(c)是根據本發明的實施方式的由顯微鏡系統中的定量DIC設備獲取的浸油的馬鈴薯淀粉存儲顆粒的強度圖像。圖17(d)是根據本發明的實施方式的由顯微鏡系統中的定量DIC設備獲取的浸油的馬鈴薯淀粉存儲顆粒的無偽像的X方向相位圖像。圖17(e)是根據本發明的實施方式的由顯微鏡系統中的定量DIC設備獲取的浸油的馬鈴薯淀粉存儲顆粒的無偽像的y方向相位圖像。圖18示出了根據本發明的實施方式的可存在于用在定量DIC設備中的計算機設備中的子系統的框圖。本發明的詳細描述下面將參考附圖描述本發明的實施方式。一些實施方式包括可用在諸如顯微術、 攝影術或其他成像應用等應用中的具有波陣面傳感器的簡單和定量DIC設備。本發明的實施方式的波陣面傳感器可為任何適當的形式。例如，波陣面傳感器可為單像素(元件)波陣面傳感器的形式。在另一個實例中，波陣面傳感器可為具有定位成沿一個方向的傳感器元件(像素)的一維波陣面傳感器陣列的形式。在另一個實例中，波陣面傳感器可為包括定位成沿兩個正交方向的傳感器元件的二維波陣面傳感器陣列的形式。通常，本發明的實施方式的定量DIC設備提供了優勢，因為它們可以分開測量在兩個正交方向上的圖像波陣面的振幅和相位梯度。利用該信息，定量DIC設備具有足夠的數據以用數字重構圖像波陣面并將其傳播到其他平面。本發明的實施方式的定量DIC設備也提供了優勢，因為它們不需要偏振光作為他們成像技術的一部分。由于這些定量DIC設備不依賴于光(照明)的偏振，這些設備可以使用非偏振光來產生用于雙折射和同質物體的無偽像的DIC圖像。而且，也可使用普通的光源，例如用在傳統的顯微鏡中的光源。本發明的實施方式的定量DIC設備的另一個優勢是它們將DIC功能集成到簡單的波陣面傳感器上。該集成優于使用龐大的光學元件來提供 DIC功能的傳統的DIC設備。由于該原因，本發明的實施方式比傳統的DIC設備更加緊湊、 更便宜且在使用和設計上更簡單。如圖2所示，本發明的實施方式的定量DIC設備通過選擇性組合和干涉在兩個相鄰的點處的非偏振光的光場來操作。圖2是根據本發明的一個實施方式的定量DIC設備 100的示意圖。定量DIC設備100包括將非偏振光提供到物體30的照明光源20。在該所示的實施方式中，定量DIC設備100采用選擇性組合和干涉具有間隔a的圖像的兩個相鄰點處的非偏振光的光場的相位比較。定量DIC設備100使用相位比較來在圖像平面40生成物體30的圖像42。采用該相位比較的定量DIC設備可分開測量由物體30散射或穿過物體30透射的光的振幅和相位梯度。1.定量DIC設備配置下面描述定量DIC設備的三種配置。第一種配置包括具有單像素波陣面傳感器的定量DIC設備。在該配置中，可采用光柵掃描來測量有關圖像波陣面的二維數據。該二維配置可包括二維波陣面傳感器陣列，其可同時測量關于圖像波陣面的二維數據而不需要光柵掃描。第一和第二配置使用波陣面轉送系統來將來自物體的圖像波陣面投射到波陣面傳感器。第三配置去除了前兩種配置的波陣面轉送系統。在一些實施方式中，這些配置的定量DIC設備不依賴于光的偏振，作為它們的成像方法的一部分。如果使用非偏振光，這些定量DIC設備即使對于雙折射物體也可產生無偽像的DIC圖像。A.第一配置圖3是根據本發明的一個實施方式的第一配置中的定量DIC設備100的部件的側視圖的示意圖。在該配置中，定量DIC設備100包括單像素波陣面傳感器110。照明光源 20將光提供到由定量DIC設備100成像的物體30。物體30調制或以其他方式改變光并導致圖像波陣面120。定量DIC設備也包括與單像素波陣面傳感器110進行通信的波陣面轉送系統130 (例如，一個或多個透鏡)。波陣面轉送系統130將由物體30生成的圖像波陣面 120投射或以其他方式轉送到單像素波陣面傳感器110上。單像素波陣面傳感器110測量由物體30的點導致的所投射的圖像波陣面120的局部強度和/或斜率，所投射的圖像波陣面120與單像素波陣面傳感器110共軛。定量DIC設備100還包括光柵掃描設備140，其用于掃描物體30或掃描單像素波陣面傳感器110以生成由物體30導致的圖像波陣面120的局部強度和/或斜率的二維圖。 定量DIC設備100還包括具有與計算機可讀介質(CRM) 1 進行通信的處理器152的主計算機150。主計算機150與單像素波陣面傳感器110進行通信以接收波陣面數據。定量DIC 設備100的一個或多個部件可位于主體內，所述主體可為多層結構或單個單片結構。定量DIC設備100基于所測量的強度分布來測量二維振幅并測量在圖像波陣面 120的兩個正交方向上的相位梯度。干涉的總透射率與光圈平面處的平均圖像強度成比例。 零階干涉光斑的偏差(As和At)分別通過隔板(透明層)厚度(H)和折射率(η)與光圈處的波長歸一化相位梯度(θ χ和θ y)相關，如
權利要求
1.一種使用具有波陣面傳感器的定量微分干涉差設備來計算物體的深度切片的方法， 所述波陣面傳感器具有一個或多個結構光圈、光探測器以及位于所述一個或多個結構光圈和所述光探測器之間的透明層，所述方法包括由所述光探測器通過所述一個或多個結構光圈接收光； 基于所接收的光來測量圖像波陣面的振幅；基于所接收的光來測量在所述圖像波陣面的兩個正交方向上的相位梯度； 由處理器使用所測量的振幅和相位梯度來重構所述圖像波陣面；以及由處理器將所重構的波陣面傳播到在第一深度處與物體相交的第一平面。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括由處理器將所重構的波陣面傳播到在第二深度處與所述物體相交的第二平面。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括基于在所述第一平面和所述第二平面處的所傳播的波陣面來生成所述物體的一部分的三維圖像。
4.根據權利要求1所述的方法，還包括由處理器將所重構的波陣面傳播到與所述物體相交的多個平行平面，所述平面實質上平行于所述光探測器的表面且在實質上穿過所述物體的尺寸延伸的深度處；以及基于在所述第一平面和所述多個平面處的所傳播的波陣面來生成所述物體的三維圖像。
5.根據權利要求1所述的方法，基于在所述第一平面處的所傳播的波陣面來生成所述物體的在所述第一深度處的二維圖像。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述二維圖像是所述物體的橫截面圖像。
7.根據權利要求1所述的方法，其中基于所接收的光來測量所述圖像波陣面的振幅包括分離與每個結構光圈相關的所接收的光的強度數據；通過將與每個結構光圈相關的所分離的強度數據求和來測量與每個結構光圈相關的局部振幅；以及通過編譯在每個結構光圈處測量的所述局部振幅來生成所述圖像波陣面的振幅。
8.根據權利要求1所述的方法，其中基于所接收的光來測量在所述圖像波陣面的兩個正交方向上的相位梯度包括分離與每個結構光圈相關的所接收的光的強度數據；在引入所述物體之前和之后，測量在每個結構光圈處接收的光在兩個正交方向上的偏差；以及基于所述偏差來測量在每個結構光圈處的在兩個正交方向上的局部相位梯度；以及通過編譯在每個結構光圈處測量的局部相位梯度來生成在兩個正交方向上的相位梯度。
9.根據權利要求1所述的方法，還包括引入所述物體，所述物體改變來自一個或多個照明光源的光。
10.根據權利要求1所述的方法，還包括使用在所述結構光圈的陣列的結構光圈內的微透鏡將光聚焦到所述光探測器上的焦點。
11.根據權利要求1所述的方法，其中由所述光探測器通過所述一個或多個結構光圈接收光包括當所述物體穿過流體通道移動時，由所述光探測器生成與通過所述一個或多個結構光圈接收的光相關的時變數據；編譯所述時變數據以生成二維光分布。
12.—種波陣面傳感器，包括光圈層，其具有一個或多個結構光圈；光探測器，其被配置為基于通過所述結構光圈接收的光來測量波陣面的振幅，并分開測量在所述波陣面的兩個正交方向上的相位梯度；以及透明層，其在所述光圈層和所述光探測器之間。
13.根據權利要求12所述的波陣面傳感器，其中所述光是非偏振的。
14.根據權利要求12所述的波陣面傳感器，還包括在所述結構光圈的至少一個中的微透鏡。
15.一種定量微分干涉差設備，包括波陣面傳感器，其包括光圈層，其具有一個或多個結構光圈，光探測器，其被配置為基于通過所述結構光圈接收的光來測量波陣面的振幅，并測量在所述波陣面的兩個正交方向上的相位梯度，以及透明層，其在所述光圈層和所述光探測器之間；以及處理器，其通信地耦合到所述波陣面傳感器，且被配置為使用所測量的振幅和相位梯度來重構所述波陣面。
16.根據權利要求15所述的定量微分干涉差設備，其中所述處理器還被配置為將所重構的波陣面傳播到在第一深度處與物體相交的第一平面。
17.根據權利要求15所述的定量微分干涉差設備，還包括用于將所述波陣面轉送到所述波陣面傳感器的轉送系統。
18.根據權利要求15所述的定量微分干涉差設備，還包括用于掃描所述波陣面傳感器的光柵掃描設備。
19.根據權利要求15所述的定量微分干涉差設備，還包括用于提供光的一個或多個照明光源。
全文摘要
本發明的實施方式涉及使用具有波陣面傳感器的定量微分干涉差設備來計算物體的深度切片的方法，所述波陣面傳感器具有一個或多個結構光圈、光探測器以及位于結構光圈和光探測器之間的透明層。所述方法包括由光探測器通過一個或多個結構光圈接收光。所述方法還基于光來測量圖像波陣面的振幅并測量在圖像波陣面的兩個正交方向上的相位梯度。所述方法可然后使用振幅和相位梯度來重構圖像波陣面。所述方法可然后將重構的波陣面傳播到在第一深度處與物體相交的第一平面。在一個實施方式中，所述方法將重構的波陣面傳播到另外的平面并基于所傳播的波陣面生成三維圖像。
文檔編號G01B9/04GK102292662SQ201080005097
公開日2011年12月21日 申請日期2010年1月21日 優先權日2009年1月21日
發明者崔喜泉, 楊昌輝 申請人:加州理工學院