专利名称：用于计算深度切片的定量微分干涉差(dic)设备的制作方法
用于计算深度切片的定量微分干涉差(DIC)设备相关申请的交叉引用这是一件非临时申请，其要求于2009年1月21日提交的题为“Quantitative differential interference contrast (DIC) microscopy and its computed depth sectioning ability”的第61/20M87号美国临时专利申请的申请日的利益。为了所有目的，该临时申请特此通过引用被全部并入。该非临时申请与下面共同未决和共同转让的专利申请相关，为了所有目的，所述专利申请特此通过引用被全部并入于2005 年5 月 9 日提交的题为 “Optof luidic 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 Profiler based on Differential Interference Contrast and/or Surface Plasmon Assisted Interference”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 Optofluidic Microscope 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 “Optof luidic Microscope Device with Photosensor 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 Improving Optofluidic 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 Interference Contrast (DIC)Microscopy and Photography based on Wavefront Sensors" 的第 12/435，165号美国专利申请。本发明的背景本发明的实施方式大体上涉及具有波阵面传感器的定量微分干涉差(DIC)设备。 更具体地，某些实施方式涉及具有用在诸如显微术或摄影术的应用中的波阵面传感器并适于计算标本和其他物体的深度切片的定量DIC设备。DIC显微镜为光学透明的生物样本提供了良好的反差而不需要将外源的反差试剂引入到样本中。由于无创性质，DIC显微镜广泛用在生物实验室中。传统的DIC显微镜和其他传统的DIC设备通常通过首先建立利用偏振选择的两个相同的照明光场来操作。
图1是传统的Dic设备10的示意图，设备10通过使偏振光的稍微偏移的两个完全相同的图像光场发生干涉来操作。传统的DIC设备10包括将偏振光提供到物体30的照明光源20。如所示，光场穿过物体30透射且沿着χ方向相对于彼此横向偏移。然后将净相位滞后(通常为Mt)引入到所透射的图像光场中的一个上。这两个光场被允许在图像平面40彼此发生干涉。更简单地，该过程等效于复制所透射的图像光场， 使一拷贝稍微横向偏移并检测这两个光场在图像平面40的干涉。
数学上，这暗示从传统的DIC设备10观察的具有放大因子M的DIC强度图像42 由式(1)给出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)是由显微镜为每个光场转送的图像波阵面，Φ.α，y)是DIC图像波阵面。且Δ =Ma是与光场相关的穿过图像的相对位移。式(1)中的最后一个表达式只有在相差较小的情况下才成立。然而，传统的DIC设备具有几个局限性。一个主要的局限性是传统的DIC设备将相位变化变换为振幅(强度)变化。如式(1)所示，Dic强度图像，IDi。(x，y)是微分相位的正弦函数，因此相位信息不能直接从DIC图像的强度来解释。而且，B(x，y)和C(x，y)项都含有振幅信息，因此DIC图像含有纠结一起的振幅和相位信息。因此，相位变化不能容易地从由物体的吸收和/或散射产生的振幅(强度)变化中解开纠结。换句话说，传统的DIC 设备不能区分开吸收效果和相位变化。由于振幅和相位信息的这个纠结及非线性相位梯度响应，传统的DIC设备是固有地定性的，且不提供定量的相位测量。传统的DIC设备的另一个局限性在于它们使用偏振光且依赖于其相位成像策略中的偏振。由于必须使用偏振光，传统的DIC设备产生通常遭受明显的伪像的影响的双折射物体(例如，马铃薯淀粉存储颗粒)的图像。本发明的简要概述本发明的实施方式涉及使用定量DIC设备来计算物体的深度切片的方法。引入到定量DIC设备中的物体改变了光场且引起具有振幅和相位梯度的图像波阵面。在波阵面传感器的背部的光探测器测量通过波阵面传感器中的结构光圈(structured aperture)的光的分布。波阵面传感器使用该光分布来分开测量在两个正交方向上的波阵面的振幅和相位梯度。定量DIC设备从振幅和相位梯度用数字重构图像波阵面，并将所重构的波阵面计算地传播到在通过物体的厚度的不同深度处的平面。一个实施方式目的在于使用具有波阵面传感器的定量微分干涉差设备来计算物体的深度切片的方法，所述波阵面传感器具有一个或多个结构光圈、光探测器以及和在所述一个或多个光圈和所述光探测器之间的透明层。所述方法包括由光探测器通过一个或多个结构光圈接收光。该方法还包括基于所接收的光来测量图像波阵面的振幅及基于所接收的光来测量在图像波阵面的两个正交方向上的相位梯度。然后，处理器使用所测量的振幅和相位梯度重构图像波阵面并将所重构的波阵面传播到在第一深度处与的物体相交的第一平面。另一个实施方式目的在于波阵面传感器，其包括具有一个或多个结构光圈的光圈层、光探测器和在所述光圈层和光探测器之间的透明层。光探测器基于通过结构光圈接收的光来测量波阵面的振幅及在两个正交方向上的相位梯度。另一个实施方式目的在于定量DIC设备，其包括波阵面传感器及通信地耦合到波阵面传感器的处理器。该波阵面传感器包括具有一个或多个结构光圈的光圈层、光探测器和在所述光圈层和光探测器之间的透明层。光探测器基于通过所述结构光圈接收的光来测量波阵面的振幅和在两个正交方向上的相位梯度。处理器使用所测量的振幅和相位梯度来重构波阵面。本发明的这些和其他实施方式将在下面被详细描述。附图的简要描述图1是传统的DIC设备的示意图。图2是根据本发明的一个实施方式的定量DIC设备的示意图。图3是根据本发明的一个实施方式的在第一配置中的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。图4是根据本发明的一个实施方式的在第二配置中的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。图5是根据本发明的一个实施方式的在第三配置中的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。图6(a)是根据本发明的一个实施方式的具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。图6(b)是根据本发明的一个实施方式的具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。图6(c)是根据本发明的一个实施方式的具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。图7(a) (1)是根据本发明的一个实施方式的以“ + ”符号配置的形式的二维结构光圈的透视图的示意图。图7(a) (2)是根据本发明的一个实施方式的以“ + ”符号配置的形式的二维结构光圈的透视图的示意图.图7(b)、(C)和(d)是根据本发明的实施方式的由二维结构光圈的扫描电子显微镜获取的图像。图8是根据本发明的实施方式的具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。图9是根据本发明的实施方式的具有Siack-Hartmarm波阵面传感器的定量DIC 设备的部件的侧视图的示意图。图10(a)是包括以单个透光区的一维阵列的形式的透光区的强度OFM设备的部件的俯视图的示意图。图10(b)是根据本发明的一个实施方式的具有OFM波阵面传感器的定量DIC设备的部件的俯视图的示意图。图11示出了根据本发明的实施方式的说明该传播方法的示意图。图12是根据本发明的实施方式的使用处理器的传播方法的示意图。图13(a)和12(b)是由传统的显微镜获取的聚焦方法的示意图。图14是根据本发明的实施方式的使用具有波阵面传感器的定量DIC设备的计算深度切片方法的流程图。图15(a)是根据本发明的实施方式的波阵面传感器的部件的侧视图。图15(b)是根据本发明的实施方式的图15(a)中的波阵面传感器的部件的俯视图。图15(c)是根据本发明的实施方式的穿过结构光圈的中心的图15(a)中的波阵面传感器的部件的截面图。图16(a)是根据本发明的实施方式的使用具有SAI波阵面传感器的定量DIC显微镜获取的海星胚胎的强度/振幅图像。图16(b)是根据本发明的实施方式的基于使用具有SAI波阵面传感器的定量DIC 设备获取的海星胚胎的在X方向上的相位梯度的图像。图16(c)是根据本发明的实施方式的基于使用具有SAI波阵面传感器的定量DIC 设备获取的海星胚胎的在y方向上的相位梯度的图像。图16(d)、16(e)和16(f)示出了根据本发明的实施方式的当应用于图16(a)、 16(b)和16(c)的原始振幅、微分相位χ和微分相位y数据的一些展开算法。图17(a)是通过传统的透射显微镜获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的图像。图17(b)是通过传统的DIC显微镜获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的图像。图17(c)是根据本发明的实施方式的由显微镜系统中的定量DIC设备获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的强度图像。图17(d)是根据本发明的实施方式的由显微镜系统中的定量DIC设备获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的无伪像的X方向相位图像。图17(e)是根据本发明的实施方式的由显微镜系统中的定量DIC设备获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的无伪像的y方向相位图像。图18示出了根据本发明的实施方式的可存在于用在定量DIC设备中的计算机设备中的子系统的框图。本发明的详细描述下面将参考附图描述本发明的实施方式。一些实施方式包括可用在诸如显微术、 摄影术或其他成像应用等应用中的具有波阵面传感器的简单和定量DIC设备。本发明的实施方式的波阵面传感器可为任何适当的形式。例如，波阵面传感器可为单像素(元件)波阵面传感器的形式。在另一个实例中，波阵面传感器可为具有定位成沿一个方向的传感器元件(像素)的一维波阵面传感器阵列的形式。在另一个实例中，波阵面传感器可为包括定位成沿两个正交方向的传感器元件的二维波阵面传感器阵列的形式。通常，本发明的实施方式的定量DIC设备提供了优势，因为它们可以分开测量在两个正交方向上的图像波阵面的振幅和相位梯度。利用该信息，定量DIC设备具有足够的数据以用数字重构图像波阵面并将其传播到其他平面。本发明的实施方式的定量DIC设备也提供了优势，因为它们不需要偏振光作为他们成像技术的一部分。由于这些定量DIC设备不依赖于光(照明)的偏振，这些设备可以使用非偏振光来产生用于双折射和同质物体的无伪像的DIC图像。而且，也可使用普通的光源，例如用在传统的显微镜中的光源。本发明的实施方式的定量DIC设备的另一个优势是它们将DIC功能集成到简单的波阵面传感器上。该集成优于使用庞大的光学元件来提供 DIC功能的传统的DIC设备。由于该原因，本发明的实施方式比传统的DIC设备更加紧凑、 更便宜且在使用和设计上更简单。如图2所示，本发明的实施方式的定量DIC设备通过选择性组合和干涉在两个相邻的点处的非偏振光的光场来操作。图2是根据本发明的一个实施方式的定量DIC设备 100的示意图。定量DIC设备100包括将非偏振光提供到物体30的照明光源20。在该所示的实施方式中，定量DIC设备100采用选择性组合和干涉具有间隔a的图像的两个相邻点处的非偏振光的光场的相位比较。定量DIC设备100使用相位比较来在图像平面40生成物体30的图像42。采用该相位比较的定量DIC设备可分开测量由物体30散射或穿过物体30透射的光的振幅和相位梯度。1.定量DIC设备配置下面描述定量DIC设备的三种配置。第一种配置包括具有单像素波阵面传感器的定量DIC设备。在该配置中，可采用光栅扫描来测量有关图像波阵面的二维数据。该二维配置可包括二维波阵面传感器阵列，其可同时测量关于图像波阵面的二维数据而不需要光栅扫描。第一和第二配置使用波阵面转送系统来将来自物体的图像波阵面投射到波阵面传感器。第三配置去除了前两种配置的波阵面转送系统。在一些实施方式中，这些配置的定量DIC设备不依赖于光的偏振，作为它们的成像方法的一部分。如果使用非偏振光，这些定量DIC设备即使对于双折射物体也可产生无伪像的DIC图像。A.第一配置图3是根据本发明的一个实施方式的第一配置中的定量DIC设备100的部件的侧视图的示意图。在该配置中，定量DIC设备100包括单像素波阵面传感器110。照明光源 20将光提供到由定量DIC设备100成像的物体30。物体30调制或以其他方式改变光并导致图像波阵面120。定量DIC设备也包括与单像素波阵面传感器110进行通信的波阵面转送系统130 (例如，一个或多个透镜)。波阵面转送系统130将由物体30生成的图像波阵面 120投射或以其他方式转送到单像素波阵面传感器110上。单像素波阵面传感器110测量由物体30的点导致的所投射的图像波阵面120的局部强度和/或斜率，所投射的图像波阵面120与单像素波阵面传感器110共轭。定量DIC设备100还包括光栅扫描设备140，其用于扫描物体30或扫描单像素波阵面传感器110以生成由物体30导致的图像波阵面120的局部强度和/或斜率的二维图。 定量DIC设备100还包括具有与计算机可读介质(CRM) 1 进行通信的处理器152的主计算机150。主计算机150与单像素波阵面传感器110进行通信以接收波阵面数据。定量DIC 设备100的一个或多个部件可位于主体内，所述主体可为多层结构或单个单片结构。定量DIC设备100基于所测量的强度分布来测量二维振幅并测量在图像波阵面 120的两个正交方向上的相位梯度。干涉的总透射率与光圈平面处的平均图像强度成比例。 零阶干涉光斑的偏差(As和At)分别通过隔板(透明层)厚度(H)和折射率(η)与光圈处的波长归一化相位梯度(θ χ和θ y)相关，如
权利要求
1.一种使用具有波阵面传感器的定量微分干涉差设备来计算物体的深度切片的方法， 所述波阵面传感器具有一个或多个结构光圈、光探测器以及位于所述一个或多个结构光圈和所述光探测器之间的透明层，所述方法包括由所述光探测器通过所述一个或多个结构光圈接收光； 基于所接收的光来测量图像波阵面的振幅；基于所接收的光来测量在所述图像波阵面的两个正交方向上的相位梯度； 由处理器使用所测量的振幅和相位梯度来重构所述图像波阵面；以及由处理器将所重构的波阵面传播到在第一深度处与物体相交的第一平面。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括由处理器将所重构的波阵面传播到在第二深度处与所述物体相交的第二平面。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括基于在所述第一平面和所述第二平面处的所传播的波阵面来生成所述物体的一部分的三维图像。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括由处理器将所重构的波阵面传播到与所述物体相交的多个平行平面，所述平面实质上平行于所述光探测器的表面且在实质上穿过所述物体的尺寸延伸的深度处；以及基于在所述第一平面和所述多个平面处的所传播的波阵面来生成所述物体的三维图像。
5.根据权利要求1所述的方法，基于在所述第一平面处的所传播的波阵面来生成所述物体的在所述第一深度处的二维图像。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述二维图像是所述物体的横截面图像。
7.根据权利要求1所述的方法，其中基于所接收的光来测量所述图像波阵面的振幅包括分离与每个结构光圈相关的所接收的光的强度数据；通过将与每个结构光圈相关的所分离的强度数据求和来测量与每个结构光圈相关的局部振幅；以及通过编译在每个结构光圈处测量的所述局部振幅来生成所述图像波阵面的振幅。
8.根据权利要求1所述的方法，其中基于所接收的光来测量在所述图像波阵面的两个正交方向上的相位梯度包括分离与每个结构光圈相关的所接收的光的强度数据；在引入所述物体之前和之后，测量在每个结构光圈处接收的光在两个正交方向上的偏差；以及基于所述偏差来测量在每个结构光圈处的在两个正交方向上的局部相位梯度；以及通过编译在每个结构光圈处测量的局部相位梯度来生成在两个正交方向上的相位梯度。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括引入所述物体，所述物体改变来自一个或多个照明光源的光。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括使用在所述结构光圈的阵列的结构光圈内的微透镜将光聚焦到所述光探测器上的焦点。
11.根据权利要求1所述的方法，其中由所述光探测器通过所述一个或多个结构光圈接收光包括当所述物体穿过流体通道移动时，由所述光探测器生成与通过所述一个或多个结构光圈接收的光相关的时变数据；编译所述时变数据以生成二维光分布。
12.—种波阵面传感器，包括光圈层，其具有一个或多个结构光圈；光探测器，其被配置为基于通过所述结构光圈接收的光来测量波阵面的振幅，并分开测量在所述波阵面的两个正交方向上的相位梯度；以及透明层，其在所述光圈层和所述光探测器之间。
13.根据权利要求12所述的波阵面传感器，其中所述光是非偏振的。
14.根据权利要求12所述的波阵面传感器，还包括在所述结构光圈的至少一个中的微透镜。
15.一种定量微分干涉差设备，包括波阵面传感器，其包括光圈层，其具有一个或多个结构光圈，光探测器，其被配置为基于通过所述结构光圈接收的光来测量波阵面的振幅，并测量在所述波阵面的两个正交方向上的相位梯度，以及透明层，其在所述光圈层和所述光探测器之间；以及处理器，其通信地耦合到所述波阵面传感器，且被配置为使用所测量的振幅和相位梯度来重构所述波阵面。
16.根据权利要求15所述的定量微分干涉差设备，其中所述处理器还被配置为将所重构的波阵面传播到在第一深度处与物体相交的第一平面。
17.根据权利要求15所述的定量微分干涉差设备，还包括用于将所述波阵面转送到所述波阵面传感器的转送系统。
18.根据权利要求15所述的定量微分干涉差设备，还包括用于扫描所述波阵面传感器的光栅扫描设备。
19.根据权利要求15所述的定量微分干涉差设备，还包括用于提供光的一个或多个照明光源。
全文摘要
本发明的实施方式涉及使用具有波阵面传感器的定量微分干涉差设备来计算物体的深度切片的方法，所述波阵面传感器具有一个或多个结构光圈、光探测器以及位于结构光圈和光探测器之间的透明层。所述方法包括由光探测器通过一个或多个结构光圈接收光。所述方法还基于光来测量图像波阵面的振幅并测量在图像波阵面的两个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来重构图像波阵面。所述方法可然后将重构的波阵面传播到在第一深度处与物体相交的第一平面。在一个实施方式中，所述方法将重构的波阵面传播到另外的平面并基于所传播的波阵面生成三维图像。
文档编号G01B9/04GK102292662SQ201080005097
公开日2011年12月21日 申请日期2010年1月21日 优先权日2009年1月21日
发明者崔喜泉, 杨昌辉 申请人:加州理工学院