波前成像传感器的制作方法

专利名称：波前成像传感器的制作方法
波前成像传感器相关申请的交叉引用本申请是非临时申请，并且要求于2009年6月3日提交的、题为“Functionalized CMOS Sensor Chips for Wavefront and DarkfieldMicroscopy” 的第 61/183，868 号美国临时专利申请以及于2009年9月8日提交的、题为“Wavefront Imaging knsor”的第 61/240，556号临时专利申请的优先权。这些临时申请通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。该非临时申请涉及下面的共同未决的且共同转让的专利申请，其通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的 于 2005 年 5 月 9 日提交的、题为 “Optofluidic Microscope Device” 的第 11/125，718号美国专利申请。 于 2007 年 3 月 14 日提交的、题为“Optofluidic Microscope Device” 的第 11/686，095号美国专利申请。·于 2007 年 5 月 2 日提交的、题为 “On-chip Microscope/Beam Profilerbased on Differential Interference Contrast and/or Surface Plasmon Assistedlnterference” 的第 11/743，581 号美国专利申请。 于 2009 年 3 月 4 日提交的、题为 “Methods of Using OptofluidicMicroscope Devices”的第12/398, 098号美国专利申请。·于 2009 年 3 月 4 日提交的、题为"Optofluidic Microscope Device withPhotosensor Array” 的第 12/398，050 号美国专利申请。 于 2009 年 12 月 15 日提交的、题为 “^Techniques for ImprovingOptofluidic Microscope Devices” 的第 12/638，518 号美国专利申请。·于 2009 年 5 月 4 日提交的、题为 “Quantitative Differential InterferenceContrast(DIC)Microscopy and Photography based on Wavefront knsors”的第12/435，165号美国专利申请。 于 2010 年 1 月 21 日提交的、题为"Quantitative DifferentialInterference Contrast (DIC) Microscopy and its Computed Depth SectioningAbility" 白勺第 12/690, 952号美国专利申请。下面的非临时专利申请是在同一天提交的并且因此通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的于2010年6月2日提交的、题为“SurfaceWave Enabled Darkfield Aperture”的第12/792，059号(代理人案号020859-004633US_CIP)美国专利申请。
背景技术：
本发明的实施方式大体上涉及在诸如显微镜和摄影等应用中使用的相位感测设备。更具体地说，某些实施方式涉及一种波前成像传感器(WIS)，其被配置以高菲涅尔数模式测量光场的相位变化和/或幅度变化。光场包括两组主要的特征，S卩，幅度/强度和波阵面变化。目前，商业光学传感器被设计为像我们的视网膜一样操作，并且仅响应于光场幅度/强度变化。光的相位对于成像而言非常重要，这是因为诸如透明的组织和细胞等的很多目标仅显著地调制所透射的光的相位而不会显著地改变幅度/强度。有时，造影剂(例如，染色剂)可以用于在这些透明的目标中产生幅度/强度变化，然而，染色包括制备并且可能损坏标本。由于该原因和其它原因，相衬显微镜在生物医学应用中非常重要，这是因为相衬显微镜基于未染色的生物医学样本中的折射率的变化提供对比度的能力。这些应用包括血源性和水源性病原体的场分析(成本考虑和易于使用比较重要)以及活组织检查部分的分析，以在外科手术期间确定肿瘤边缘(其中快速处理是至关重要的)。相衬显微镜在不需要染色或者根本不选择染色的情况下也是有用的。这些应用包括在体外受精期间检查卵母细胞和胚胎，以及对活细胞或组织的纵向成像。这些应用的实施例可以在S. L. Stanley的 “Amoebiasis, ” Lancet 361，1025—1034(2003)、Μ. Μ. HagluncU Μ. S. Berger 禾口 D. W. Hochman 的“Enhanced optical imaging of human gliomas and tumormargins,，，Neurosurgery 38, 308-317 (1996)、J. Vanblerkom> H. Bell 禾口 G. Henry 的“The occurrence, recognition and developmental fate ofpseudo-multipronucIear eggs after in-vi tro fertilization of human oocytes, "Hum. Reprod. 2, pp. 217-225(1987)以及 R. J. Sommer 禾口P. W. Sternberg 白勺"Changes of induction and competence during the evolution of vulvadevelopment in nematodes, "Science 265,114-118(1994)中找到，这些文献通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。传统的微分干涉差(DIC)显微镜，并且在更小的范围上，相差显微镜和霍夫曼相衬显微镜是在过去五十年间使用的主要的相衬显微镜。图1(a)是传统的DIC设备(例如，传统的DIC显微镜或照相机)的基本原理的示意图。传统的DIC设备通过使偏振光的略微移位的两个相同的图像光场发生干涉来进行操作。图1(b)是传统的DIC设备的示意图。相差显微镜的实施例可以在F. krnike的‘‘Phase contrast, a new method for themicroscopic observation of transparent objects，，，Physics 9,686-698 (1942) 中找到。霍夫曼相衬显微镜的实施例可以在R. Hoffman和L. Gross的‘‘Themodulation contrast microscope, “ Nature 254,586-588(1975)中找到。传统的 DIC 显微镜的实施例可以在G. Nomarski 的"New theory of image formationin differential interference microscopy", Journal of the Optical Society ofAmerica 59,1524_&(1969)中找至丨J, 并且由传统的DIC显微镜使用的成像策略可以在‘‘DIC” http: //www. microscopyu. com/ articles/dic/dicindex. html, (2007)中找到。这三个参考文献通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。然而，这些传统的相衬显微镜具有几个局限性。由这些传统设备使用的技术的一个主要局限性是相位变化与由于目标的吸收和/或散射引起的幅度/强度变化不可避免地混合在一起。由于幅度和相位信息的牵连，这些传统的技术不会提供定量的相位测量。这些局限性可能导致目标的呈现图像模糊。传统的DIC设备的另一个局限性是其使用偏振光并且依赖于其相位图像策略的偏振。因为必须使用偏振光，因此传统的DIC设备产生双折射样本的图像，例如，通常遭受严重的伪影的肌肉部分和胶原母体。在其相位成像策略中使用偏振的DIC显微镜的实施例可以在B. C. Albensi, Ε. V. Ilkanich, G. Dini和D. Janigro 的“Elements of Scientific Visualization in BasicNeuroscience Research，，，Bioscience 54，1127-1137 (2004)中找到，其通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。因为必须使用偏振光，因此这些设备产生通常遭受严重的伪影的双折射目标(例如，马铃薯淀粉贮藏颗粒)的图像。此外，这些技术使用昂贵的且需要很高的维护费用的复杂且大量的光学布置。这些系统的相对较高的成本阻碍了其广泛的使用。近年来，已经开发了其它相衬显微镜技术，例如1)相移干涉测量方案，其中， 具有不同相移的两个或更多个干涉图被顺序地获取并且通过其产生相位图像，2)数字全息术或希尔伯特相衬显微镜，其中，编码到干涉图上的高频空间边缘被解调以产生相位图像，幻扫频源相衬显微镜，其中，可以对通过波长扫描产生的干涉图的调制进行处理以创建相位图像，4)偏振正交显微镜，其中，通过基于偏振的正交干涉仪产生相位图像，以及幻基于谐波匹配光栅的相衬显微镜，其利用谐波组合光栅的不同衍射顺序之间的非微小的相移来产生相位图像。这些相衬显微镜技术的实施例可以在 K.Creath 的“Phase-measurement interferometry techniques，“Prog.Opt. 26， 44(1988)、K. J. Chalut、W. J. Brown 禾口 A. Wax 的 “Quantitativephase microscopy with asynchronous digital holography，，，Optics Express 15，3047-3052 (2007)、 P. Marquetλ B. RappazΛ P. J. Magistretti、E. Cuche, Y. Emery、T. Colomb 禾口 C. Depeursinge 的"Digital holographic microscopy :anoninvasive contrast imaging technique allowing quantitative visualization of1iving cells with subwavelength axial accuracy,，，Optics Letters 30，468_470(2005)、B· Rappaz、P. Marquet、 E. Cuche、Y. Emeryλ C.Depeursinge 禾口 P.J.Magistretti 的 “Measurement of the integral refractive index and dynamic eel!morphometry of living cells with digital holographic microscopy,，，OpticsExpress 13，9361-9373 (2005)、 Τ· Ikeda、G. Popescu、R. R. Dasari 禾口 Μ· S. Feld 的 “Hilbert phase microscopy for investigating fast dynamics in transparentsystems,，，Optics Letters 30， 1165-1167 (2005)、G. Popescu、T. Ikeda，K.Goda、C.A. Best-Popescu、M.Laposata、 S. Man ley λ R. R. Dasari、K. Badizadegan 禾口 Μ· S. Feld 的 “Optical measurement of cell membrane tension，” PhysicalReview Letters 97 (2006)、Μ. V. Sarunic、S. Weinberg 禾口 J. A. Izatt 的 “Full-field swept-source phase microscopy, ” Optics Letters 31，1462-1464(2006)、D. 0. Hogenboom、C. A. DiMarzio、T. J. Gaudette、A. J. Devaney 禾口 S.C.Lindberg ^"Three-dimensional images generated by quadratureinterfero metry，，，Optics Letters 23，783—785 (1998)、Z. Yaqoob、J. G. Wu、X. Q. Cui、X. Heng 禾口 C.H. Yang 的 “Harmonically-related diffractiongratings-based interferometer for quadrature phase measurements，” OpticsExpress 14，8127-8137 (2006)以及 W. Choi、 C. Fang-Yen λ K. Badizadegan、S. Oh, N. Lue、R. R. Dasari 禾口 M. S. Feld 的“Tomographic phase microscopy，nNature Methods 4,717-719(2007)中找到，其通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。然而，就相差和传统的DIC显微镜而言，这些先进的方法包括重要的光学元件并且具有过高的学习曲线。此外，这些相衬显微镜技术总是要求使用激光源来提供相干光。用于计算光学相位的另一种技术包括收集其焦平面周围的标本的两个或三个连续的图像。该技术的实施例可以在A. Barty. K. A. Nugent、D. Paganin和A. Roberts的
6“Quantitative optical phase microscopy" Optics Letters23,817-819 (1998)中找至丨J, 其通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。然而，该技术需要通过物理方式驱动相机，所述相机被放置在三个不同的位置处，从而提供足够的数据来呈现单个相位图像，并且因此在速度方面受到本质上的限制。此外，机械驱动系统的存在也可以向显微镜引入不期望的振动，并且可能对敏感实验造成挑战。

发明内容
本发明的实施方式涉及一种波前成像设备(WIS)，其测量由目标的存在引入的图像波前的幅度和/或相位变化，并且产生目标的图像。WIS具有包括一个或多个孔径的孔径层和光检测器。透明层将光检测器和孔径层分离。在操作中，光场中的目标可能引入图像波前。在Wis的后部的光检测器接收通过孔径的光投影的形式的光的分布。光检测器被放置在高菲涅尔数模式中的自聚焦平面处以使光投影变窄。光检测器测量变窄的光投影的横向移动并且通过该移动确定相位梯度。Wis还可以将每个光投影上的强度进行求和以确定每个孔径处的幅度或总强度。然后，WIS可以通过幅度和/或相位梯度信息来数值地产生一个或多个图像。一个实施方式涉及一种波前成像传感器，其包括具有孔径的孔径层、具有表面的光检测器和在该孔径层与该光检测器之间的透明层。光检测器被配置为接收光检测器的表面处的光投影。光投影来自通过孔径的光。光检测器被进一步配置为根据所接收的光投影来分别测量波前的幅度和相位信息。透明层具有一厚度，所述厚度被设计为将光检测器的表面定位在接近高菲涅尔数模式中的自聚焦平面处以使光投影变窄。另一个实施方式涉及一种波前成像传感器，其包括具有孔径阵列的孔径层、具有表面的光检测器和在该孔径层与该光检测器之间的透明层。光检测器被配置为在表面处接收来自通过孔径的阵列的光的光投影。该光检测器被进一步配置为基于所接收的一个或多个光投影分别测量波前的幅度和相位信息。透明层具有一厚度，所述厚度被设计为将光检测器的表面定位在接近高菲涅尔数模式中的自聚焦平面处以使一个或多个光投影变窄。另一个实施方式涉及一种使用波前成像传感器来分别测量波前的幅度和相位梯度的方法，该波前成像传感器具有孔径层、光检测器和在该孔径层与该光检测器之间的透明层。该方法包括接收该光检测器的表面处的光投影。该光投影来自通过孔径层的孔径的光。所述表面位于高菲涅尔数模式中的自聚焦平面的附近，以将光投影变窄。该方法还通过估测在表面上的光投影的中心来估测光投影的横向位移。然后，该方法使用所估测的光投影的横向位移来测量在孔径处的波前的相位梯度，并且通过对由分配给孔径的光检测元件接收的强度信号进行求和，来测量在孔径处的波前的幅度。下面进一步详细地描述本发明的这些和其它实施方式。


图1 (a)是传统的DIC设备的基本原理的示意图。图1 (b)是传统的DIC设备的示意图。图2(a)是根据本发明的实施方式的WIS的组件的透视图的示意图。图2(b)是根据本发明的实施方式的图2(a)的WIS通过孔径的横截面的示意图。
图3(a)和图3(b)是根据本发明的实施方式的WIS的组件的透视图的示意图。图4是根据本发明的实施方式的WIS系统的侧视图的示意图，该WIS系统具有WIS 的组件和用于对通过孔径投射的光和不同的轴向位移处的光投影进行成像的显微镜的组件。图5(a)是示出了根据本发明的实施方式的WIS的组件的侧视图的计算机模拟图。图6(a)是根据本发明的实施方式的具有二维(6x6)孔径阵列形式的孔径的孔径层的一部分的图像。图6 (b)是CMOS传感器芯片的照片。图6(c)是根据本发明的实施方式的包括使用WIS的传统显微镜的WIS系统的照片。图7 (a)是通过传统的亮场显微镜得到的蠕虫的强度/幅度图像。图7(b)是通过传统的DIC显微镜得到的蠕虫的DIC图像(在本文的成像实验中， 剪切方向是沿着y轴)。图7(c)是根据本发明的实施方式的通过使用WIS的显微镜(波前显微镜)获得的蠕虫的强度图像。图7(d)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的沿着蠕虫的y轴的归一化的相位梯度图像。图7(e)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的沿着蠕虫的χ轴的归一化的相位梯度图像。图8 (a)是通过传统的亮场显微镜获得的蛔虫的强度/幅度图像。图8 (b)是通过传统的DIC显微镜获得的蛔虫的DIC图像。图8(c)是根据本发明的实施方式的通过使用WIS的显微镜(波前显微镜)获得的蛔虫的强度图像。图8(d)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的沿着蛔虫的y轴的归一化的相位梯度图像。图8(e)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的沿着蛔虫的χ轴的归一化的相位梯度图像。图9 (a)是通过传统的亮场显微镜获得的强双折射栉状鱼鳞的强度/幅度图像。图9 (b)是通过传统的DIC显微镜获得的强双折射栉状鱼鳞的DIC图像。图9(c)是根据本发明的实施方式的通过使用WIS的显微镜(波前显微镜)获得的强双折射栉状鱼鳞的强度图像。图9(d)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的沿着强双折射栉状鱼鳞的y轴的归一化的相位梯度图像。图9(e)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的沿着强双折射栉状鱼鳞的X轴的归一化的相位梯度图像。图10是根据本发明的实施方式的使用波前显微镜获得的图7(a)至图7(e)的未染色的蠕虫的相位梯度向量的幅度图像。图11是根据本发明的实施方式的包括处理组件的WIS系统的组件的透视图。图12(a)和图12(b)示出了根据本发明的实施方式的用于校准WIS的WIS系统的
8组件的侧视图。图12(c)和图12(d)是根据该实施方式的针对不同入射角9丨在1方向和 y方向的归一化的相位梯度响应的图。图13是根据本发明的实施方式的使用具有WIS的WIS系统来检测光投影和/或对目标进行成像的方法的流程图。图14示出了根据本发明的实施方式的可以存在于在WIS系统使用的计算机设备中的子系统的框图。
具体实施例方式下面将参照附图来描述本发明的实施方式。一些实施方式包括WIS (波前成像传感器)，该WIS被配置为测量图像波前的幅度和/或相位变化。WIS具有孔径层，该孔径层具有一个或多个间隔紧密的孔径，以及光检测器，该光检测器接收以光投影的形式通过孔径的光。WIS还包括在该光检测器和孔径层之间的透明层。透明层的厚度可以被确定以将光检测器定位在高菲涅尔区域中的自聚焦平面处从而使光投影变窄。在操作期间，Wis后部的光检测器接收光投影并且可以测量由于图像波前的相位梯度引起的变窄的光投影的横向移动。Wis可以基于横向移动来确定相位梯度。WIS还可以对每个光投影上的强度进行求和以确定每个孔径处的幅度或总强度。Wis可以基于所测量的幅度和/或相位梯度信息来产生目标的一个或多个图像。—些实施方式包括可以在诸如显微镜、摄影等应用中使用的WIS或者其它成像设备。例如，可以使用WIS的实施方式来替代标准的亮场显微镜中的传统照相机。WIS可以将亮场显微镜转换为波前显微镜，该波前显微镜可以提供亮场(透射的光强度)和相位梯度图像二者。因为一些实施方式的WIS可以检测除了相位变化以外的光强度/幅度变化，因此这些实施方式的WIS可以替代数码相机中的传感器。可以受益于WIS的相位梯度测量能力的应用的一些其它实施例包括机器识别、目标测距和质地评估。此外，诸如LASIK手术和高分辨率视网膜成像等领域也可以受益于WIS的相位梯度测量能力。很多实施方式的WIS提供一些优点，这是因为WIS可以自聚焦高菲涅尔数模式中的光，这在无需透镜的情况下使由光检测器接收的光投影变窄。首先，该自聚焦方案相对于诸如使用微透镜来使光投影变窄的夏克-哈特曼传感器等传统的波前传感器是有优势的。 通过避免对这种传感器的需要，可以降低WIS的成本。此外，因为通过孔径的光投影变窄， 因此可以以更密集的方式来排列孔径，这可以提供高度密集的光数据和改善的传感器灵敏度。此外，使光投影变窄避免了相邻的投影之间的串扰或干涉，这还可以改善图像质量。一些实施方式的WIS的另一个优点是其可以将相位梯度测量功能实现在诸如 CMOS(互补金属氧化物半导体)芯片等简单的传感器芯片上。在一些情况下，WIS的不同层可以作为传感器芯片制造工艺的一部分形成，这使成本最小化。该实现相对于使用大量的光学元件以提供类似的功能的传统的相位感测设备是有优势的。因为不存在大量的光学元件，因此WIS相对于传统的相位感测设备可以更具鲁棒性(光学元件不容易被损坏)、成本更低并且在使用和设计方面更简单。使用本发明的实施方式的WIS的成像设备还提供了一些优点，这是因为其将不需要偏振光作为其成像技术的一部分。因为成像设备将不依赖于光(照射)的偏振，因此成像设备可以使用非偏振光以产生双折射和同质目标的无伪影的相位梯度和强度图像。此外， 可以使用普通的照明源，例如，在传统的显微镜中使用的照明源。I、WIS (波前成像传感器) 图2(a)是根据本发明的实施方式的WIS 100的组件的透视图的示意图。在所示的实施例中，WIS 100包括孔径层110、光检测器120和在该孔径层110与光检测器120之间的透明层130。孔径层110具有二维孔径114的阵列112的形式的一个或多个孔径114。 在该实施方式中，二维阵列112具有3X3的大小。其它实施方式可以具有任何适当的大小。 虽然在很多实施方式中孔径112被示为二维阵列，但是在其它实施方式中孔径112可以具有一维孔径114阵列的形式、大量一维和/或二维孔径阵列或者其它适当的孔径排列。图2(b)是根据本发明的实施方式的示出了 WIS 100的一些细节的图2(a)的WIS 通过孔径114的横截面的示意图。在图2(b)中，WIS 100包括具有孔径114的孔径层110、 光检测器120和在该孔径层110与光检测器120之间的透明层130。孔径层110包括第一表面116和第二表面118。光检测器120 (例如，CMOS、电荷耦合器件(CXD)等)包括多个光检测元件122、第一表面124和第二表面126。在图2(a)和图2(b)中，多个光检测元件 122包括与每个孔径114对应的(分配给每个孔径114的)5X5的光检测元件122的网格。 透明层130在孔径层110的第二表面118与光检测器120的表面124之间具有厚度“H”。在图2(b)中，调制的光波140(例如，图像波前)以入射角α作用于孔径层110。 通过孔径114的光透射在光检测器120上形成光投影(未示出)。光投影的中心基于入射角α移动了 As。一些实施方式的WIS 100可以涉及多层结构。WIS 100包括在其中具有一个或多个孔径114的不透明或半透明的孔径层110。在一些情况下，不透明或半透明的孔径层110 可以是薄的金属层。WIS 100可以可选择地包括透明的保护层(未示出)，该保护层覆盖不透明或半透明的孔径层110以隔离该不透明或半透明的孔径层110。孔径层110可以具有任何适当的厚度。孔径114可以指孔径层110中的光透射区域。在很多实施方式中，孔径114是孔， 该孔可以是空的或者填充有透明材料。孔径114可以具有任何适当的横截面形状(例如， 圆形、矩形、三角形、椭圆形等)和任何适当的尺寸“d” (例如，1微米、3微米、6微米等)。 在一个示例性的实施方式中，孔径114是直径为6微米的圆形孔。WIS 100的很多实施方式包括二维孔径112阵列的形式的一个或多个孔径114。在其它实施方式中，孔径114可以具有其它适当的排列，例如，一维阵列或大量一维阵列和/ 或二维阵列。孔径阵列可以具有任何适当的大小，例如，500 X 500、1000 X 500、1 X 1、10 X 10寸。孔径层110中的孔径114在相邻的孔径114之间可以具有任何适当的间距。在一个实施方式中，孔径层110可以具有间隔紧密的孔径，这些孔径具有任何适当的紧密的孔径间隔。适当的紧密的孔径间距的一些实施例包括1微米、5微米和10微米等，其中，孔径尺寸是5微米。在一个示例性的实施方式中，紧密的孔径间隔是11微米。在一些情况下， 具有含有紧密的孔径间距的孔径层110的WIS 100可以收集光检测器120处的密集的光数据。在光检测器120与孔径层110之间的透明层130可以包括一层或多层诸如水或粘性的聚合物(例如，SU-8树脂)的透明或半透明材料，或者可以是真空或充气空间。透明层130可以具有任何适当的厚度H。在一些情况下，透明层130被规定具有使光检测器120 定位在自聚焦平面处的预定厚度H。光检测器 120 (例如，光传感器)可以指能够检测光并且产生具有与光在χ和y方向上的幅度、强度和相位梯度有关的数据和/或与所检测的光有关的其它信息的信号的任何适当的设备。这些信号可以为由光电效应引起的电流的形式。适当的光检测器120的一些实施例包括电荷耦合器件(CCD)或线性阵列或二维阵列的光敏二极管(例如，雪崩光电二极管(APD))。光检测器120也可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)或光电倍增管 (PMT)。其它适当的光检测器120可从市场上买到。在部分IB中描述了适当的光检测器的一些实施例。光检测器120包括一个或多个光检测元件122(例如，传感器像素)。光检测元件 122可以具有任何适当的尺寸(例如，1微米至4微米)和任何适当的形状(例如，圆形或正方形)。可以以任何适当的形式来排列光检测元件122。适当形式的一些实施例包括一维阵列、二维阵列和大量一维和/或二维阵列。在一些情况下，可以以与孔径112类似的方式来排列光检测元件232，并且光检测元件232可以映射到孔径114。在很多实施方式中，多个光检测元件122中的一个或多个被分配给(对应于)特定的孔径114，并且测量与特定的孔径114相关联的光投影。可以使用任意适当数量的光检测元件122以和单个孔径114相对应。在一个实施方式中，具有MNXMN的大小的光检测元件122的二维阵列与具有MXM大小的孔径114的二维阵列相对应。在该实施方式中，由 NXN个光检测元件122的二维阵列构成的MNXMN阵列的一部分与每个孔径114相对应。 例如，光检测元件122的二维15X15(N = 5、M = 3)阵列可以与孔径114的二维3X3(M = 3)阵列相对应。在该实施例中，光检测元件122的二维5X5(N = 5)阵列与每个孔径114 相对应并且测量与该孔径114相关联的光投影。使用该实施例的WIS 100的成像设备可以高效地产生具有MXM像素图像分辨率的光场图像。图3(a)和图3(b)是根据本发明的实施方式的WIS 100的组件的透视图的示意图。在图3(a)和图3(b)中，WIS 100包括孔径层110、光检测器120和在该光检测器120 与孔径层110之间的透明层130。孔径层110具有3X3的二维孔径112阵列的形式的一个或多个孔径114。孔径114是具有尺寸d和孔径间距a的孔。透明层110具有厚度H。 光检测器120包括15X15 二维阵列形式的多个光检测元件122。在图3(a)和图3(b)中， 光检测元件122的5X5 二维阵列与每一个孔径114相对应。WIS100在孔径层110的表面 116还包括χ轴、y轴和ζ轴。WIS 100在光检测器120的表面126还包括s轴和t轴。在图3(a)中，WIS 100还包括向孔径层110提供光的照明源150。照明源150可以指任何适当的设备或其它光源。由照明源150提供的光可以具有任何适当的波长和强度。此外，光可以包括偏振光和/或非偏振光。在使用非偏振光的实施方式中，WIS 100可以检测能够用于产生双折射标本的无伪影的光数据。适当的照明源 150天然可用且可从市场上买到。在一些实施方式中，照明源150可以是WIS 100的组件。 在其它实施方式中，照明源150可以是与WIS 100分离的组件。在一个实施方式中，照明源是宽带卤钨灯。照明源150可以被放置在任何适当的位置并且被定位在任何适当的入射角α，以向WIS 100提供适当的光。在一些实施方式中，多个照明源150可以在一个或多个方向上提供光。例如，使用实施方式的WIS 100的照相机系统可以具有在第一方向上提供例如来自闪光灯的光的第一照明源150和在第二方向上提供光的第二照明源150。第一方向可以不同于第二方向、类似于第二方向或者与第二方向相同。在其它实施方式中，单个照明源150 在单个方向上提供光。例如，包括WIS 100的显微镜系统可以具有被定位为在负ζ方向上提供光的单个照明源150。图3(a)和图3(b )也显示了 WIS 100的操作原理。如图3(a)所示，当光波140入射到孔径层Iio上时，通过孔径114的透射在光检测器120的光检测元件122(例如，传感器像素)上形成光投影128。光投影128可以指从通过在与孔径层110的表面118平行的特定平面的特定的孔径的光接收的光数据。在很多情况下，光投影是在光检测器120的表面124处接收的，该表面124可能与自聚焦平面(未示出)重合或不重合。在一些所示的实施方式中，光投影128被示为光检测器120上的光斑。如图3(a)和图3(b)所示，当光波入射到孔径层110时，通过特定孔径114的光在与该孔径114相关联的光检测元件122(例如，传感器像素)上产生光斑(光投影)128。已经绘制线以显示光投影128在相关联的光检测元件122上的近似位置。如果在孔径114处作用于孔径层110的光波140几乎没有相位梯度，则光投影128 近似地以孔径114的中心线为中心。在一些情况下，平面光波140可以是基于来自照明源 150的均勻光场。如果在孔径114处作用于孔径层110的光波140在孔径140处具有非零相位梯度，则光投影128根据孔径114处的经调制的光波140的归一化的相位梯度来横向移动。由于非零相位梯度，因此光投影128在s和/或t方向上横向移动。在一些情况下， 经调制的光波140可以是由于例如将目标引入到由照明源150提供的均勻光场中引起的。在图3(a)中，在孔径114处作用于孔径层110的光波140具有零相位梯度。在该所示的实施例中，在光检测器120处接收的光投影128近似地以孔径114的中心线为中心。 在图3(b)中，在孔径114(a)处具有非零相位梯度的经调制的光波140 (例如，图像波前) 作用于孔径层110。作为响应，光投影128(a)具有根据孔径114(a)处的经调制的光波140 的归一化的相位梯度在s方向上横向移动As。在数学上，每个光投影128在光检测器120上的横向移动(Δ s和Δ t)与光波140 在相应的孔径114处的(X，y)的波长归一化的相位梯度(θ x和θ y)、透明层I30的厚度H 以及透明层130的折射率η有关，例如
Α"θ U、ν) Hl ' ( χ, \·)孓‘= ,“
Ii^JMi ('Ja'(1 )
,。
^y(x^y) _ HlΔ (Λ, V) f^ ‘‘ ^^^^^^^ =- -
it€)y(2)当As(x，y) <<Η时，其中，θχ(χ，γ)是光波在孔径114上的(x，y)处的沿着χ 方向归一化相位梯度，λ是由照明源150 (未示出)提供的光场的波长，η是透明层130的
材料的折射率，^^是在孔径114上的(x，y)处沿着χ方向的相位梯度0y。 ox通过使用式(1)和式(2)，WIS 100可以基于所测量的光投影128中的位移As和At来确定归一化的相位梯度。如式(1)和式(2)所示，归一化的相位梯度ey可以是入射光场的方向图的独立于波长的测量。WIS 100也可以确定光波140在每一个孔径114处的幅度。WIS 100的光检测器 120测量与每一个孔径114对应的光投影128的强度分布。然后，WIS 100可以对光投影 128上的强度值进行求和以确定每个孔径(X，y)处的强度/幅度。A、高菲涅尔数设计
本发明的很多实施方式的WIS 100被设计为在高菲涅尔数模式中操作。高菲涅尔数设计本质上将通过孔径114的光聚焦(变窄)，使得在无需透镜的情况下由光检测器120 接收的光投影128变得比孔径114的尺寸更窄。因为通过该内在聚焦机制将光投影128变窄，因此在不引起串扰的情况下在相邻的孔径之间存在较小的空间。由于孔径之间需要较小的空间，因此孔径层110可以更密集，这可以改善灵敏度。在一些情况下，高菲涅尔数设计的WIS 100可以具有孔径114，该孔径114具有相对于孔径尺寸(例如，6微米)较紧密的孔径间距(例如，11微米)，这可以改善传感器的灵敏度。在一个实施方式中，高菲涅尔数设计的WIS 100可以在典型的工作条件下(在传感器上，1.0秒的总信号累积时间和9. 2 μ W/ cm2的光强度)提供0. 1毫弧度的归一化的相位梯度灵敏度。使用该高灵敏的WIS 100的成像设备可以提供相对于传统的相位成像设备的改善质量的图像。菲涅尔数是指与通过孔径的光的折射水平相关联的无量纲数。菲涅尔数可以表示为
j ** nd “/' =T77T
4//i(3 )其中，d是孔径尺寸、H是透明层的厚度、η是透明层130的折射率，λ是入射波长。 在一些实施方式中，高菲涅尔数是>> 1的菲涅尔数，低菲涅尔数是<< 1的菲涅尔数。在其它实施方式中，高菲涅尔数是大于0. 80的菲涅尔数，低菲涅尔数是小于0. 80的菲涅尔数。在一个示例性的实施方式中，接近于1.0的菲涅尔数(例如，0. 80,0. 86,0. 90等)是高菲涅耳数。在一些实施方式中，高菲涅尔数可以与菲涅尔衍射相关联，其中，通过孔径114的光被聚焦，低菲涅尔数可以与远场衍射相关联，其中，通过孔径114的光扩散。位于这些实施方式的高菲涅尔数模式中的光检测器120接收相对于孔径114变窄的光投影128。光投影 128可以变窄任何适当的百分比。适当缩小的百分比的一些实施例包括20%、25%、30%、 35%等。位于这些实施方式的低菲涅尔数模式中的光检测器120接收相对于孔径114变宽的光投影128。在许多实施方式中，WIS 100被设计为通过使光检测器120定位在自聚焦平面160 附近来在高菲涅尔数模式中操作。在一些情况下，透明层130被设计为具有将光检测器120 定位在自聚焦平面160处的预定的厚度H。自聚焦平面160可以是指光投影128已经缩小到最小尺寸和/或与最大菲涅尔数相关联的平面。在一些实施方式中，自聚焦平面160是与孔径层110的表面118平行的平面。在一个实施方式中，自聚焦平面160位于孔径层110 的附近(例如，针对由波长为600nm的光照射的直径为6微米的孔径的18微米)。在一个实施方式中，WIS 100可以被设计为通过使透明层130的预定厚度=28微米、孔径尺寸d = 6微米、λ = 0.6微米和η = 1.6微米而在高菲涅尔数模式中操作，在该实施方式中，WIS 100在高菲涅尔数模式中操作，其中，菲涅尔数
F =昏4二二,因为W〗S 100在高菲涅尔数模式中操作，因此光投影128
ο
被严格地限制在光检测器120。换言之，通过该实施方式的孔径114透射的光自聚焦，并且在扩散之前由光检测器120检测到。WIS 100被设计为使得光检测器120近似位于自聚焦平面160，在这里，到最小光投影的自聚焦发生。该设计可以包括诸如11微米的紧密的孔径间距。此外，光投影128的横向位移响应于入射光场的波阵面梯度。由于这些原因，因此设计的WIS 100是易于实现、高度紧凑、高密度(例如，孔径之间Ilum的间距)、高图像像素数(在3. 08mmX 3. 85mm的传感器面积上有280 X 350个图像像素)且高灵敏度的WIS 100。 通过监控高菲涅尔模式中的严格受限的光投影128，一些实施方式的WIS 100可以测量强度和相位梯度变化这二者。在一个实施方式中，在1. 0秒的总信号累积时间和9. 2μ W/cm2 高强度的情况下，WIS 100可以测量0. 1毫弧度的归一化的相位梯度灵敏度。图4是根据本发明的实施方式的具有WIS 100的组件和显微镜180的组件的WIS 系统200的侧视图的示意图，该显微镜180用于对通过孔径投射的光和不同轴向位移处的光投影128进行成像。WIS 100的所示的组件包括具有孔径114的孔径层110和与孔径层 110相邻的透明层130(例如，玻璃层)。照明源150被示为向孔径层110提供均勻的光波 140。显微镜180包括对通过孔径114的光和沿着ζ轴的不同轴向位移处的光投影128进行成像的透镜182 (例如，具有N. A. =1.3的油浸100X的物镜)。沿着ζ轴的不同轴向位移处的光投影128的图像可以用于确定光投影128的半径R。在图4中，在高菲涅尔数模式中，在接近孔径层110的区域中，通过孔径114的光被示为变窄到严格受限的半径R。远离这一区域，由于在低菲涅尔数模式中，在远离孔径层 110处以近似线性方式进行远场衍射162，因此半径R扩展。在沿着Z轴距离孔径层IIOZq 处，WIS系统200还包括自聚焦平面160。在自聚焦平面160处，光已经变窄到最小半径。 自聚焦平面160处的最小半径的光投影190具有最小半径Rmin和/或与WIS系统200的最大菲涅尔数相关联。在一个实施方式中，WIS系统200可以用于确定从孔径层110到自聚焦平面160的距离Z(1。WIS系统200确定沿着Z轴的光投影128的图像，并且确定具有最小(极小)半径 Rmin的最小光投影190。然后，WIS系统200可以确定与最小光投影190相对应的距离Z(1。在一些实施方式中，WIS系统200可以操作以确定对于给定的孔径尺寸d、透明层折射率η和孔径层厚度的自聚焦平面160的大致位置。然后，WIS 100可以被设计为基于自聚焦平面160的所确定的位置在高菲涅尔数模式中操作。WIS 100可以被设计有具有与最小半径的光投影190对应的等于距离Ztl的预定厚度的透明层130，使得光检测器120近似位于自聚焦平面160处，并且WIS 100可以在高菲涅尔数模式中操作。例如，WIS系统200 可以确定沿着ζ轴的光投影128的图像。然后，WIS系统200测量光投影中的每一个的半径。然后，WIS系统200确定具有最小半径Rmin的最小半径的光投影190和具有最小半径 Rfflin的光投影沿着ζ轴的距离、。然后，WIS 100可以被设计为使得透明层130具有预定的厚度Ztl，使得光检测器120位于自聚焦平面160处。图5(a)是示出了根据本发明的实施方式的WIS 100的组件的侧视图的计算机模拟图。WIS 100的所示的组件包括具有孔径114的孔径层110和与孔径层110相邻的透明层130。照明源150被示为向孔径层110提供均勻的光波140。在所示的实施例中，示出了通过孔径114投射的光的模拟图像。此外，光投影图像的半径R被示作为到孔径层110的距离ζ的测量。如图所示，在与高菲涅尔数模式中的孔径层110相邻的区域中，光投影的半径R变窄到严格受限的半径。由于在远离该区域处的远场衍射，因此半径R扩展。图5(b) 是根据本发明的实施方式的在离孔径层110的不同距离处的光投影128 的图像的尺寸图。在该所示的实施例中，WIS 100具有透明层厚度H= 18微米和孔径尺寸 d = 6微米。在其它实施方式中，WIS 100可以具有任何适当的透明层厚度和孔径尺寸。该图在半峰全宽(FWHM)与距离孔径层的距离(微米)方面比较了光投影128的大小。在一些情况下，图4的WIS系统200可以用于确定图5 (b)的图像和在与孔径层110相距不同距离ζ处的光投影的尺寸。如图所示，直径为6微米的孔径114与具有3. 8微米FWHM(半峰全宽-FWHM)的最小半径的投影190相关联，其中，透明层具有高于光检测器120的厚度H= 18微米。在所示的实施例中，最小半径的投影190比孔径直径本身小37%。此外，该图示出了孔径114与具有小于5微米的FWHM的光投影(H值在4微米和34微米之间)相关联。也即是说，具有 6微米的孔径和4微米与34微米之间的透明层130的WIS 100可以在高菲涅尔数模式中操作。虽然WIS 100的很多实施方式不具有透镜，但是WIS 100的一个实施方式包括与光检测器120中的每一个光检测元件122接近的透镜。在该实施方式中，每个透镜可以帮助将烟 标志灯的光投射在光检测元件122 (传感器像素)的光敏区域上。该实施方式的 WIS 100可以改进通过孔径层110中的孔径114透射的总入射光，这可以改进传感器的灵敏度。B、实现1、功能化的传感器芯片在一些实施方式中，传感器芯片可以被重新构造以包括WIS 100的组件以使用诸如测量相位梯度的能力等WIS 100的添加的能力来构造功能化的传感器芯片。这些实施方式的功能化的传感器芯片可以相对于添加复杂且昂贵的光学元件来提供类似功能的传统设备具有优势。在一些实施方式中，功能化的传感器芯片包括任何适当的传感器芯片，例如，(XD、 CMOS、APD(雪崩光电二极管)或者其它适当的器件。适当的传感器芯片可从市场上买到。 市场上可买到的CMOS芯片的实施例是图6(a)和图6(b)中所示的由AptinaImaging 公司制造的MT9P031I12STM CMOS传感器芯片。该示例性的MT9P031I12STM CMOS传感器芯片具有2592 X 1944个光检测元件(传感器像素)，并且像素尺寸为2. 2微米。像素填充因子是0.8。帧读出率改变并且依赖于支持芯片的电路板。在一个实施例中，支持具有读出电路的CMOS芯片的电路板可以在连续模式下实现10帧/s。这些示例性的CMOS芯片的成本比较低。在很多情况下，当前市场上可买到的CMOS芯片可能超出很多传统的成像系统的要求。这种CMOS传感器芯片的实施例是由Omnivision 公司制造的0V9810传感器芯片。这种市场上可买到的CMOS芯片包括488X2616个光检测元件(传感器像素)，其像素尺寸为 1. 7微米。市场上可买到的适当的传感器芯片的另一个实施例是HamamatSU S8550APD阵列。任何适当的制造工艺可以用于构造具有一些实施方式的WIS 100的功能化的传感器芯片。在一个示例性的工艺中，是使用传感器芯片(例如，CMOS传感器芯片)作为基底来制造WIS 100。首先，从传感器芯片移除玻璃窗，以接近传感器的表面。接下来，使用材料将传感器芯片的表面平面化以创建透明层130。在一个实施例中，材料可以是10微米厚的SU8树脂层。然后，对透明层130的表面涂覆一层(150nm厚的Al层)以使传感器避光。 接下来，诸如光刻等的工艺可以用于在形 成孔径层110的层中创建一个或多个孔径114 (例如，具有280X 350个孔径、6微米的孔径直径和11微米的孔径到孔径的间距的二维阵列)。 图6(a)是根据本发明的实施方式的具有孔径的孔径层110的一部分的图像，所述孔径为二维(6X6)孔径112阵列的形式。在一个实施方式中，使用WIS 100的功能化的传感器芯片能够同时测量光场的幅度和波阵面的变化。WIS 100包括具有传感器像素网格(像素尺寸=2.2 μ m)的基底光检测器120、具有有效厚度=28 μ m的透明层130和具有150nm厚度的铝的孔径层110。孔径层110是被图案化到孔径层110上的二维紧密相间的孔径阵列(间距=1111111、直径= 6μπι)。通过监控高菲涅尔数模式中的严格受限的透射的光投影(光斑)，功能化的传感器芯片可以准确地测量强度和波阵面变化二者。在该实施方式中，对功能化的传感器芯片进行测试以在典型的工作条件下(在传感器上，1. 0秒的总信号累积时间和9. 2 μ ff/cm2的光强度)具有0. 1毫弧度的经测量的归一化的相位梯度灵敏度。在一个实施方式中，具有WIS 100的功能化的传感器芯片可以使用相位和强度变化来产生彩色和/或黑白图像。可以使用任何适当的实现技术。例如，在与上面所描述的制造工艺类似的制造工艺中，具有分层的颜色感测点(例如，Foveon X3 颜色传感器芯片)的颜色传感器芯片可以用作基底。在另一个实施例中，可以使用具有拜耳颜色像素排列的传统的颜色传感器来构建具有WIS功能的颜色传感器。在该示例中，使用了光投影(光斑)定位算法。该实施方式的功能化的传感器芯片可以代替传统的显微镜上的相机以添加采集彩色和/或黑白的相位梯度和/或强度图像的能力。在前面的显微镜系统中，用户将需要在不同的相机之间切换以采集这些图像。2、波前成像设备在一些实施方式中，WIS 100可以被实现到诸如传统的显微镜或数码相机等的成像设备中，以构造可以对亮场图像和相位梯度图像二者进行成像的WIS系统200。例如，WIS 100可以替换传统的亮场显微镜中的相机以构造具有亮场和相位梯度成像能力的WIS显微镜系统200( “波前显微镜”)。与传统的DIC显微镜的图像相比，由WIS显微镜系统200产生的相位梯度图像可以具有更好的质量，这是因为其是无伪影且定量的。在另一个实施例中，WIS 100可以代替数码相机中的传感器以构造具有亮场和相位梯度成像能力的WIS数码相机系统200 ( “波前相机”)。通过实现WISlOO所提供的额外的相位梯度感测能力可以受益于各种应用，其包括例如机器识别、目标测距和用于各种应用的质地评估。图6(c)是根据本发明的实施方式的包括使用WIS 100的传统显微镜250 (例如， Olympus BX 51显微镜)的WIS系统200的照片。在图6(c)中，WIS 100被放置为经由其相机端口与传统的显微镜250进行通信。在一些情况下，WIS 100可以形成于被放置为与相机端口进行通信的适当的传感器芯片上。在图6(c)中，传统的显微镜250包括诸如标准的卤素显微镜等的照明源150。在该实施例中，传统的显微镜250还包括推入DIC棱镜和偏振器，使得传统的显微镜250可以被配置为用于比较的DIC显微镜。其它实施方式将不需要该 DIC功能。传感器芯片可以用于记录DIC图像。适当的传感器芯片的实施例是具有9. 9微米的传感器像素的CMOS光学传感器芯片(由Micron技术有限公司制造的MT9V403C12STM传感器芯片)。在一些情况下，传统的显微镜250使用具有0.49微米分辨率的40 X、N.A.= 0. 75的物镜进行操作。由于传统的显微镜250将图像放大了放大倍数，因此投射的图像应当具有20微米的分辨率。在所示的实施例中，WISlOO具有11微米的有效图像像素尺寸。 使用WIS 100的WIS系统200可以达到0. 55微米的分辨率(与其特定的分辨率仅存在10% 的偏差)。通常，物镜的放大率越高，实施方式的WIS 100执行得越好。例如，使用WIS系统 200，基于60 X、N. A. =0.9的物镜和100 X、N. A. =1.3的物镜的显微镜将能够分别实现 0. 41微米和0. 28微米的特定分辨率。
图7(a)至图7(e)是使用各种显微镜设备获得的未染色的野生的雌雄同体成年线虫(蠕虫)其外阴周围的图像。标本未被染色，并且是通过将其放置在显微镜片上的琼脂糖凝胶垫(M9缓冲液中加入2%琼脂糖)上并且使用0.6%的叠氮化钠将其麻痹来制备的。 标本被覆盖有盖玻片。在成像期间，使用100X的物镜(N.A. = 1.3)和聚光镜(N.A.= 0. 9)。图7(a)是通过传统的亮场显微镜获得的蠕虫的强度/幅度图像。图7(b)是通过传统的DIC显微镜获得的蠕虫的DIC图像(在本文中的成像实验中，剪切方向沿着y轴)。 因为标本未被染色，因此与亮场图像相比，DIC图像提供了更好的对比度。图7(c)是根据本发明的实施方式的通过使用WIS 100的显微镜(波前显微镜)获得的蠕虫的强度图像。 图7(d)是根据本发明的实施方式的通过使用波前显微镜获得的蠕虫的沿着y轴的归一化相位梯度图像。图7(e)是根据本发明的实施方式的通过使用波前显微镜获得的蠕虫的沿着χ轴的归一化相位梯度图像。通过单个数据捕获过程来获取图7(a)至图7(c)中的图像。如图所示，通过波前显微镜获得的强度图像与通过亮场显微镜获得的强度图像是一致的。此外，通过波前显微镜获得的y方向的归一化相位梯度图像与DIC图像是一致的。然而，通过波前显微镜获得的χ方向的归一化相位梯度图像包括与DIC图像和y方向的归一化相位梯度图像正交的相位信息，并且显示了目标的不同细节。例如，在y方向的归一化相位梯度图像中清楚地显示了致密体(由α指示符标识)，同时在χ方向的归一化相位梯度图像中，(由Y和β指示符标识)皮肤上的外阴缝隙、皱纹和环状体更加明显。传统的DIC图像携带混合的幅度和相位信息，如Μ. R. Arnison, K. G. Larkin, C. J. R. Sheppard> N. I. Smith 禾口 C.J.Cogswell 的"Linear phaseimaging using differential interference contrast microscopy", Journal ofMicroscopy-Oxford 214,7-12(2004)中所讨论的，其通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。因此，染色标本的传统的DIC图像可能是模糊的，其中，图像中的暗斑可能是归一化相位梯度具有较大的负值的吸收点或位置。图8(a)至图8(e)是使用各种显微镜设备获得的经过细胞分裂(由10%的福尔马林固定并且使用苏木素染色)的染色蛔虫的图像。在成像期间，使用40X的物镜(N.A.= 0. 75)和聚光镜(N. A. = 0. 5)。图8(a)是通过传统的亮场显微镜获得的蛔虫的强度/幅度图像。图8(b)是通过传统的DIC显微镜获得的蛔虫的DIC图像。在图8(a)的亮场图像和图8(b)的DIC图像中， 蛔虫的未染色的同源染色体表现为暗色区域。如果传统DIC显微镜是纯相位成像仪，则染色体块团中的一个边缘将表现得较亮，并且另一边缘将表现地较暗(与核原形质相比，同源染色体在光学上更密集)。平均亮度应当保持与背景相同。图8(c)是根据本发明的实施方式的通过使用WIS 100的显微镜(波前显微镜)获得的蛔虫的强度图像。图8(d)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的蛔虫的沿着y轴的归一化相位梯度图像。 图8(e)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的蛔虫的沿着χ轴的归一化相位梯度图像。通过波前显微镜获得的图8(d)和图8(e)中所示的归一化相位梯度图像示出了为正确的相位梯度图像的特征的浮雕般的图像。此外，图8(a)和图8(c)中所示的亮场显微镜和波前显微镜的强度图像在外观上非常类似。图8(f)是根据本发明的实施方式的将DIC图像和DIC相位梯度图像在y轴上描绘的线进行比较的图。该图形进一步突出了差别。DIC轨迹在中间部位具有明显的信号下降，其可归因于由于染色引起的光吸收，而在波前显微镜轨迹中没有该下降。由于诸如肌肉组织和胶原蛋白母体等的很多生物样本的非对称的结构布局，因此其显示了很强的双折射特性。当对双折射样本进行成像时，传统的DIC显微镜可以产生伪影。这是因为沿着样本的正交轴的折射率的差异干扰了 DIC显微镜中的偏振条件，其在 X. Q. Cui、M. Lew 禾口 C.H.Yang 的"Quantitative differential interference contrast microscopy based onstructured-aperture interference,"Applied Physics Letters 93，3 (2008)以及 S. B. Mehta 禾口 C. J. R. St^ppard 的"Quantitative phase-gradient imaging at highresolution with asymmetric illumination-based differential phase contrast，”Optics Letters 34，1924-1926 (2009)中进行了描述，其以引用的方式全部并入本文以用于所有目的。因为使用WIS 100的波前显微镜不依赖于偏振光进行相位成像， 因此波前显微镜可以对双折射样本进行成像而没有伪影。图9(a)至图9(e)是使用各种显微镜设备获得的强双折射栉状鱼鳞标本的图像。 栉状鱼鳞标本来自新鲜的鲈鱼并且保持在显微镜载片和盖片之间的IXPBS的溶液中。在成像期间，使用10X的物镜(N. A. = 0. 3)和聚光镜(N. A. = 0. 2)。图9(a)是使用传统的亮场显微镜获得的强双折射栉状鱼鳞的强度/幅度图像。图 9 (b)是使用传统的DIC显微镜获得的强双折射栉状鱼鳞的DIC图像。图9 (c)是根据本发明的实施方式的通过使用WIS 100的显微镜(波前显微镜)获得的强双折射栉状鱼鳞的强度图像。图9(d)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的强双折射栉状鱼鳞的沿着y轴的归一化相位梯度图像。图9(e)是根据本发明的实施方式的通过波前显微镜获得的强双折射栉状鱼鳞的沿着χ轴的归一化相位梯度图像。图9(a)和图9(c)中所示的亮场和波前显微镜强度图像彼此相同。然而，图9(b)中的DIC图像具有被示出为图像上的亮度变化的双折射伪影，这可能阻碍观察鱼鳞上的微细结构。相比之下，波前显微镜图像不具有双折射伪影。在使用波前显微镜获得的图9(d)和图9(e)中的归一化的相位梯度图像中对正方形和菱形形状的结构进行了清晰的成像。光波的相位可以是固定的标量势函数。在该情况下，通过WIS 100获得的两个正交的归一化相位梯度θ y的测量包括光波的一组完整的相位梯度信息。在很多实施方式中，使用WIS 100的WIS系统200 (例如，波前显微镜或波前相机)确定沿着χ轴和1轴的两个正交方向上的相位梯度信息。WIS系统200可以使用该相位梯度信息来产生适当的相位梯度图像，例如，两个正交的归一化9y图像或者可能更适合用户需求的其它相位梯度图像。此外，WIS系统200还可以使用两个正交方向上的相位梯度信息(或者其一部分)以及幅度信息以重构组合的波前图像。在一个实施例中，WIS系统200可以产生沿着任意方向g的相位梯度图像。在该实施例中，WIS系统200可以通过简单地获得单位方向向量g和空间相位梯度向量
# = + ^J的内积，来确定标本沿着任意方向云的相位图像。在一些情况下，沿着特定方向碎的相位图像可以提供相对于两个正交的归一化相位梯度θ y图像的增强的对比度。在传统的DIC显微镜中，这可以仅通过在另一个方向上进行成像来完成。在一个实施方式中，用户定义方向向量5。WIS系统200可以产生沿着用户定义的方向g的相位图像。在另一个实施例中，WIS系统200可以根据相位梯度向量的幅值来产生相位梯度
图像。在该实施例中，WIS系统200确定相位梯度向量的幅度为_ = ^《2+《2并且然后根
据所确定的幅度值来产生幅度图像。在一些情况下，幅度图像可以更好地突出标本的边缘， 特别是在相位急剧改变的地方。在该实施例中，WIS系统200可以针对诸如自动分段和对细胞或其它亚细胞器官进行计数等的应用产生相位梯度向量的幅度图。这些图可以是客观的，这是因为它们不依赖于标本与成像轴的相对方向。通过传统的DIC显微镜产生的类似图依赖于标本与成像轴的相对方向。图10是根据本发明的实施方式的使用波前显微镜获得的图7(a)至图7(e)的未染色的蠕虫的相位梯度向量的幅度图像。如图所示，幅度图像很好地描绘了标本特征。C、其它系统组件图11是根据本发明的实施方式的包括处理组件的WIS系统200的组件的透视图。 在一些实施方式中，所示的WIS系统200可以是波前显微镜或波前相机的示例。所示的WIS系统200包括具有孔径层110、光检测器120、在孔径层110与光检测器120之间的透明层130的WIS 100。WIS 100还包括参考χ轴、y轴和ζ轴。孔径层的厚度为H。孔径层还包括表面116。孔径层110中的孔径114是孔径114的MXN的二维阵列的形式。照明源150被示为提供照明。本发明的实施方式的WIS系统200也可以包括诸如在图像处理中使用的组件等的处理组件。在所示的实施方式中，WIS系统200包括与光检测器120进行通信的主计算机 320。在其它实施方式中，主计算机320可以是与WIS系统200分离的设备。在所示的实施方式中，主计算机320包括耦合到计算机可读介质324 (CRM)的处理器322 (例如，微处理器)。虽然处理器322和CRM 324被示出为WIS系统200的组件，但是在其它实施方式中， 处理器322和/或CRM 324可以是WIS 100的组件，或者可以是与WIS系统200分离的组件。此外，WIS系统200可以具有任意数量的其它适当的组件，例如，光学元件、聚光器、显示器、其它处理器等。例如，适当的显示器可以通信地耦合到处理器322以向WIS系统200 的用户提供诸如目标300的图像等的信息。处理器322可以与光检测器120集成在一起或者与光检测器120分离。处理器 322从光检测器120的光检测元件122接收具有与由光检测元件122接收的光相关联的的光数据的信号。光数据可以包括光的强度、光的波长和/或与由光检测元件122接收的光有关的其它信息。处理器322执行代码以用于执行WIS系统200的一些功能。
CRM(例如，存储器)324可以存储用于执行WIS系统200的功能的代码。代码可由处理器322执行。在一个实施方式中，CRM 324包括a)用于校准WIS 100的代码、b)用于根据来自光检测元件的相应网格的强度读数来确定与特定的孔径相关联的光投影的代码、 c)用于确定光投影中的横向位移的代码、d)用于确定强度和/或相位梯度变化的代码、e) 用于根据强度和/或相位梯度变化来确定目标300的图像的代码、f)用于确定特定方向上的相位梯度的代码、g)用于显示该图像的代码、h)用于图像处理或者WIS系统200的其它处理功能的任何其它适当的代码。CRM324还可以包括可以由本领域普通技术人员创建的用于执行信号处理或其它与软件有关的功能中的任意一个的代码。该代码可以使用任何适当的编程语言，其包括C、C++、Pascal等。 在一个实施方式中，WIS系统200可以包括在光流体显微镜成像方案中采用的WIS 100，其可以提供高吞吐量的能力。在该实施方式中，WIS系统200包括为多层结构的主体。 该主体形成或者包括具有第一表面的流体通道。流体通道可以具有任何适当的尺寸(例如，1、5、10微米)。该主体包括具有任意适当的形式的孔径114的孔径层110。适当的形式的一些实施例包括狭缝、一维阵列、二维阵列或者大量的一维和/或二维阵列。孔径114 可以处于任何适当的方向。例如，孔径114可以位于相对于流体通道的纵轴成一定角度处。 孔径114也可以共同地延伸到流体通道上。主体还包括光检测器120和在光检测器120与孔径层110之间的透明层130。在一些情况下，光检测器120可以位于自聚焦平面160处。 该实施方式的WIS系统200还包括在孔径层110外部的用于提供入射光的照明源150。当流体通过流体通道时，该流体中的目标300由照明源照明，并且所述目标300调制引起图像波前的光。光检测器120具有光检测元件122，其用于在目标300通过流体通道时获得通过孔径114接收的光投影的随时间变化的读数。随时间变化的读数可以用于确定幅度/强度和相位变化。WIS系统200可以使用该随时间变化的读数来基于相位梯度和/或强度/幅度重构目标300的图像。在一个实施方式中，由WIS系统200提供的定量相位成像可以用于对细胞或细胞器官的光学厚度进行量化，并且确定微流体系统中的化学浓度。在这些应用中使用复杂的干涉仪方案的传统系统的实施例可以在G. Popescu、T. Ikeda、R. R. Dasari和M. S. Feld的 "Diffraction phase microscopyfor quantifying cell structure and dynamics'Optics Letters 31，775-777 (2006)以及 J. G. Wu、Ζ· Yaqoob、X. Heng、L. Μ· Lee、X. Q. Cui 和 C. H. Yang 的"Full field phase imaging using a harmonically matched diffraction gratingpair based homodyne quadrature interferometer"Applied Physics Letters 90,3(2007)中找到，其通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。诸如波前显微镜等 WIS系统200的使用提供了易于建立且易于使用的可替换的方法。在另一个实施方式中，诸如波前显微镜等WIS系统200可以包括经由自适应光学策略校正由于组织样本的异质性产生的误差，以促进对多光子显微镜的深层组织成像。这些校正的实施例可以在M. J. Booth、Μ. A. A. Neil、R. Juskaitis和Τ. Wilson的 "Adaptive aberration correction in a confocalmicroscope", Proceedings of the National Academy of Sciences of the UnitedStates of America 99,5788-5792(2002) 以及 M. Rueckel、J. A. Mack-Bucher 禾口 W. Denk 的"Adaptive wavefront correction intwo-photon microscopy usingcoherence-gated wavefront sensing，，，Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America 103, 17137-17142(2006)中找到，其通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。可以在不偏离本发明的范围的情况下，对WIS 100和/或WIS系统200进行修改、 添加或省略。WIS 100和/或WIS系统200的组件可以根据具体需要被集成或分离。例如， 处理器322可以是光检测器120的组件。此外，可以通过较多、较少的或其它组件来执行 WIS 100和/或WIS系统200的操作。此外，可以使用包括软件、硬件、其它逻辑或者前述各项的任何适当的组合的任何适当的逻辑来执行WIS 100和/或WIS系统200的操作。II、操作方法A、用于估测光投影的中心/横向位移的方法在很多实施方式中，WIS系统200估测由光检测器120在孔径114处测量的每个光投影的中心。如果经调制的光在测量光投影期间作用于孔径114，则光投影的估测中心也可以是由于经调制的光的相位梯度引起的光投影的估测的横向位移。估测光投影的横向位移的精度在 E. Betzig, G. H. Patterson、R. Sougrat, 0. W. Lindwasser, S. Olenych、J. S. Bonifacino、Μ· W. Davidson、J. Lippincott-Schwartz 禾口 H. F. Hess 的 “Imaging intracellularfluorescent proteins at nanometer resolution，，Science 313，1642-1645 (2006)以及 Μ. J. Rust,Μ. Bates 和 X. W. Zhuang 的"Sub-diffraction-limit imagingby stochastic optical reconstruction microscopy(STORM)"Nature Methods 3,793-795(2006)中描述，其通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。任何适当的方法可以用于估测每个光投影的中心。在一些实施方式中，WIS系统 200可以使用质心法来估测每个光投影的中心。然而，因为质心法向来自较暗的光检测元件 122 (传感器像素)的噪声损坏的数据分配了较大的权重，因此在一些情况下，其是不稳定的位置估测。在其它实施方式中，WIS系统200可以使用傅里叶解调算法来估测排列为近似矩形的网格的光投影的中心。在一些情况下，与质心法相比，该方法可能更加鲁棒。傅里叶解调算法的实施例可以在 Y. Carmon^PE. N. Ribak 的"Phaseretrieval by demodulation of a Hartmann-Shack sensor”Opt. Commun. 215，285-288 (2003)中找到，其通过引用的方式全部并入本文以用于所有目的。1、循环算法在很多实施方式中，WIS系统200可以使用循环算法来估测通过光检测器120测量的每个光投影的中心。循环算法在估测时使用循环的且单一标准的复杂权重。为了示出循环算法的基本原理，在下文中讨论沿着s轴的一维情况。假设光检测器120上的光投影(光斑)的强度分布为I(S)并且集中在窗口 [-T/2，T/2]中，则可以将
其初始位置的复数A定义为
权利要求
1.一种波前成像传感器，包括具有孔径的孔径层；具有表面的光检测器，所述光检测器被配置为接收通过所述孔径的光在所述表面处的光投影，所述光检测器还被配置为基于所接收的光投影分别测量波前的幅度信息和相位信息；以及在所述孔径层与所述光检测器之间的透明层，所述透明层具有一厚度，所述厚度被设计为将所述光检测器的所述表面定位在接近高菲涅尔数模式中的自聚焦平面处以使所述光投影变窄。
2.根据权利要求1所述的波前成像传感器，其中，所述光检测器通过估测所述光投影的横向位移并且基于所估测的横向位移确定所述相位信息，来测量在所述孔径处的所述波前的所述相位信息。
3.根据权利要求2所述的波前成像传感器，其中，所述光检测器包括多个光检测元件，每个光检测元件接收信号；以及其中，所述光检测器通过估测在所述光检测器的所述表面上的所述投影的中心来估测所述光投影的横向位移。
4.根据权利要求1所述的波前成像传感器，其中，所述光检测器通过对所述光投影上的强度信号进行求和，来测量在所述孔径处的所述波前的所述幅度信息。
5.根据权利要求1所述的波前成像传感器，其中，所述光检测器包括多个光检测元件，每个光检测元件接收信号；以及其中，所述光检测器通过对由所述光检测元件接收到的所述信号进行求和，来测量在所述孔径处的所述波前的所述幅度信息。
6.根据权利要求1所述的波前成像传感器，还包括通信地耦合到所述光检测器的处理器，所述处理器被配置为基于沿着用户定义的方向所测量的所述波前的相位信息，来产生相位图像。
7.根据权利要求1所述的波前成像传感器，还包括通信地耦合到所述光检测器的处理器，所述处理器被配置为基于沿着所述孔径层的轴所测量的所述波前的相位信息来产生相位图像。
8.根据权利要求1所述的波前成像传感器，还包括通信地耦合到所述光检测器的处理器，所述处理器被配置为基于通过所测量的所述波前的相位信息确定的所述波前的相位梯度向量的幅度来产生相位图像。
9.根据权利要求1所述的波前成像传感器，还包括在所述孔径处的透镜。
10.根据权利要求1所述的波前成像传感器，其中，所述光投影是与所述自聚焦平面相关联的最小光投影。
11.一种波前成像传感器，包括具有孔径阵列的孔径层；具有表面的光检测器，所述光检测器被配置为接收通过所述孔径阵列的光在所述表面处的一个或多个光投影，所述光检测器还被配置为基于所接收的一个或多个光投影来分别测量波前的幅度信息和相位信息；以及在所述孔径层与所述光检测器之间的透明层，所述透明层具有一厚度，所述厚度被设计为将所述光检测器的所述表面定位在接近高菲涅尔数模式中的自聚焦平面处以使所述一个或多个光投影变窄。
12.根据权利要求11所述的波前成像传感器，其中，所述孔径阵列中的孔径间距紧密。
13.根据权利要求11所述的波前成像传感器，其中，所述光检测器包括光检测元件的多个阵列，其中，光检测元件的每个阵列被分配给孔径。
14.根据权利要求11所述的波前成像传感器，其中，所述光检测器通过对由分配给所述孔径中的一个的光检测元件的阵列接收的强度信号进行求和，来测量在所述孔径中的所述一个处的所述波前的所述幅度信息。
15.根据权利要求2所述的波前成像传感器，其中，所述光检测器被配置为通过估测与所述孔径中的一个对应的光投影的横向位移，来测量在所述孔径中的所述一个处的所述波前的所述相位信息。
16.一种使用波前成像传感器来分别测量波前的幅度和相位梯度的方法，所述波前成像传感器具有孔径层、光检测器和在所述孔径层与所述光检测器之间的透明层，所述方法包括接收在所述光检测器的表面处的光投影，所述光投影来自通过所述孔径层的孔径的光，其中，所述表面定位在接近高菲涅尔数模式中的自聚焦平面处，以使所述光投影变窄；通过估测在所述表面上的所述光投影的中心来估测所述光投影的横向位移；使用所估测的所述光投影的横向位移来测量在所述孔径处的所述波前的所述相位梯度；以及通过对由分配给所述孔径的光检测元件接收的强度信号进行求和，来测量在所述孔径处的所述波前的所述幅度。
全文摘要
本发明的实施方式涉及一种波前成像传感器(WIS)，其包括具有孔径的孔径层、具有表面的光检测器以及在孔径层与光检测器之间的透明层。光检测器可以在所述表面接收来自通过孔径的光的光投影。光检测器还可以基于所接收的光投影来分别测量在孔径处的波前的幅度和相位信息。透明层具有一厚度，所述厚度被设计为将光检测器的表面定位在接近高菲涅尔数模式中的自聚焦平面处以使光投影变窄。
文档编号G01J9/00GK102449454SQ201080024175
公开日2012年5月9日 申请日期2010年6月3日 优先权日2009年6月3日
发明者崔喜泉, 杨昌辉 申请人:加州理工学院