成像系统以及采用倒易空间光学设计的方法

专利名称：成像系统以及采用倒易空间光学设计的方法
技术领域：
本发明主要涉及图像和光学系统，并尤其涉及通过一种图像转换介质实现成像性能的系统和方法，其中图像转移介质把传感器的特性投影到物方视场(Object field of view)。
背景技术：
显微镜实现了微小实物的大图像。如果使来自物体的光通过两个透镜，则与具有一个透镜的简单显微镜相比，可以达到更大的放大率。复合显微镜具有两个或多个彼此成行放置的会聚透镜，使得两个透镜依次折射光束。其结果是产生一个比单独任何一个透镜所能放大的更大的图像。照射实物的光首次通过称作物镜的短焦距透镜或透镜组，并再在穿过被称作目镜的长焦距透镜或透镜组之前穿行一定距离。透镜组通常简称作单个透镜。通常这两个透镜彼此间处于近轴关系，使得一个透镜的轴布置成与第二个透镜的轴相同的取向。这是决定如何在观察者的眼中产生较大放大图像的透镜的性质、透镜的特性、之间的关系以及目镜与实物的关系。
第一透镜或物镜通常是有着极小焦距的小透镜。样本或实物放在具有足够强度的光源光路上以按需照明。然后降低物镜直到样本非常接近但没有正好处于透镜的焦点上。离开样本并穿过物镜的光在显微镜中通常称作中间像场的点处产生一个位于透镜之后的倒立的放大实像。第二透镜或目镜具有较长的焦距并位于显微镜中，使得由物镜产生的像位置接近目镜短于一个焦距(即，处于透镜的焦点之内)。来自物镜的图像此时变为目镜的实物。因为此实物处于一个焦距之内，所以第二透镜以产生倒立的放大虚像的方式折射光束。这是折射观察者看到的最终图像。
或者，普通无限空间或无限校正设计的显微镜采用具有无限共轭特性的物镜，使得离开物镜的光不聚焦，而是直到穿过管状透镜之后才会聚的平行光通量，其中在管状透镜处投影的图像位于目镜的焦点以备放大和观察。很多显微镜、如上述的复合显微镜设计成通过目镜向人眼提供一定质量的图像。给显微镜连结一个机器视觉传感器，如电子耦合器件传感器(CCD)以使得可以在监视器上观察图像显得很难。这是因为由传感器提供并由人眼观察的图像与通过目镜由人眼直接观察的图像相比质量下降。结果是用于放大、观察、检验和分析小物品的常规光学系统通常需要细心注意通过目镜监视过程的技术。为此原因，来自前述显示在监视器或其它输出显示装置上的图像传感器的机器视觉或基于计算机的图像显示不同于观察者通过目镜查收到的图像质量。

发明内容
下面对本发明做一概述以便于对本发明的各方面提供基本的理解。此概述不是本发明的广义综述。它既不是本发明的认识关键或关键因素，也没有勾画出本发明的范围。它的唯一目的在于以简单的形式提供本发明的一些概念，作为后面给出的更详细描述的一个序言。
本发明涉及一个实现光学成像系统的成像性能的系统和方法。关于几个光学和/或成像系统参数，可以实现高于常规系统很多量级的性能(如，更有效分辨的放大率，更大的工作距离、提高的绝对空间分辨率、增大的空间视场、增大的场深、大约为1的调制变换函数、不需要油浸没物镜和目镜)。这通过对具有一个或多个接收体(如像素)的传感器使用图像转移介质(如一个或多个透镜、光纤介质或其它介质)来实现，使得传感器的接收体被有效地定标(如映射、度量、投影、相配、缩小)，从而以与物方视场内的有限衍射点或光斑相关的标尺或大小占据物方视场。由此实现被认作付立叶空间或“k空间”的空间频率的带通滤波，使得接收体的投影大小(从传感器向实物空间的方向上的投影)被填充在k空间中。
换言之，适应、构成和/或选择图像转移介质，使得实现向k空间的转换，其中先验的设计决定导致感兴趣的是一空间或带通频率基本上被全部观察到，并且k空间频率之上或之下的频率被减少。注意到k空间频率之上或之下的频率趋于造成模糊或对比度下降，并且通常与常规的光学系统设计有关，对调制变换函数和“光学噪音”定义本征限制。这还表明本发明的系统和方法与常规的几何近轴光束设计相抵触或相反。因此，与常规系统有关的很多已知的光学设计限制通过本发明而减少。
根据本发明的一个方面，提供了一种定义物平面与像平面关系的调制变换函数(MTF)的“单元映射”的“k空间”设计、系统和方法。k空间设计把像平面像素或接收体投向物平面以促进一种优化的理论关系。这基本上由按照接收体的大小匹配的图像传感器接收体和投影的物平面单元(如，由物方视场中最小可分辨的点或斑限定的单元)之间一对一的对应来限定。k空间设计定义了“单元映射”或“单元匹配”起着“本征空间滤波”的作用，表示k空间中(也称作“倒易空间”)物和像的频谱成份基本上匹配或量化。k空间设计提供的优点导致一个能够伴随着有关的增大的视场、景深、绝对空间分辨率和利用干物镜成像的工作距离、例如无需采用常规的对前述参数有固有的本征限制的油浸没技术而有更有效可分辨的放大率的系统和方法。
本发明的一个方面涉及一种包括光学传感器的光学系统，该光学传感器有一个具有像素间距的光接收体阵列。与光学传感器光学相关的透镜以功能涉及光学系统的间距和理想的分辨率的光学参数构造。结果是透镜的操作基本上将实物中具有理想分辨率的部分沿光路映射到一个相关的光接收体。
本发明的另一方面涉及一种设计光学系统的方法。该方法包括选择具有多个光接收体的传感器，该光接收体具有像素间距。为该系统选择一个理想的最小光斑大小分辨率，并提供根据像素间距和理想的最小光斑大小构成的透镜或选取的现存透镜，从而按照理想的分辨率将多个光接收体映射到部分图像。
通过下面的描述和附图详细地描述本发明的各个方面。但这些方面只表示了可以引用本发明原理的多种方式中的几种，本发明包含所有的这些方面及它们的等同变换。通过下面结合附图的详细描述，本发明的其它优点和新颖特点将变得更加清晰。


图1是根据本发明一个方面的图像系统的框图；图2是根据本发明一个方面的k空间系统的简图；图3是根据本发明一个方面的表示传感器接收体的系统简图；图4是根据本发明一个方面考虑的传感器的曲线；图5是根据本发明一个方面的调制变换函数的曲线；图6是根据本发明一个方面涉及空间场数的结构特点的曲线；图7是根据本发明的一个方面表示成像方法的流程图；图8是根据本发明的一个方面表示选择光学参数的方法的流程图；图9是根据本发明的一个方面表示成像系统的框图；图10是根据本发明的一个方面表示模块化成像系统的框图；图11-13表示根据本发明一个方面的另一成像系统；图14-18表示根据本发明的应用实例。
具体实施例方式
本发明涉及一种光学和/或成像系统以及方法。根据本发明的一个方面，提供的k空间滤波器可以由成像转换介质构成，图像转换介质例如是关联图像传感器接收体与物方视场的光学介质。还可以采用各种照明源以实现一个或多个工作目标以及多项应用的适应性。本发明成像系统的k空间设计与常规的系统相比，促进了对具有大视场(FOV)的实质上高效分辨的放大率的图像的捕获和分析(如自动的和/或手动的)。这可以包括采用一种与较低放大率物镜相关的小数值孔径(NA)实现极高的有效分辨的放大率。结果是还可以实现实质上具有很大景深(DOF)的极高的有效分辨的放大率的图像。k空间设计还便于采用实质上对位置的变化不敏感的匀质照明源，由此改进检查和分析的方法。
根据本发明的另一方面，在以低和高功率有效分辨的放大率成像的操作可以维持物镜到实物的距离(如，工作距离)，其中可以达到大约等于或大于0.1mm以及等于或小于20mm的典型间隔，与常规的显微系统相反，常规的显微系统需要非常小的(小到0.01mm)实物到物镜的距离以兼容(例如，相同数量级)有效分辨的放大率值。另一方面，工作距离等于或0.5mm和等于或小于10mm。应该知道，本发明不限于以上述工作距离进行操作。在很多例子中采用了上述工作距离，但在一些例子中也采用了更小或更大的距离。还应注意，在本发明的一种或多种有效图像放大水平中，一般不需要对物镜实行油或是其它折射率匹配的物质或液体浸没(如，基本上没有获得改进)，在包含采用“无限校正”的物镜的系统的常规显微光学设计改型中仍可实现超高有效分辨的放大率水平。
本发明的k空间设计限定，在物平面处小的“模糊圈”或有限衍射点/斑由设计的参数决定，从而通过对相关的实物和像场“单元映射”实物和像空间而基本上以一对一的对应关系匹配图像传感器接收体或像素。这样能够实现本发明改进的性能和能力。由数学原理产生k空间设计的一种理论上的可能性，即，因为实物和图像的付立叶变换在k空间(也称作“倒易空间”)形成，所以通过光学设计技术以及根据本发明的元件布局，传感器应被映射到k空间中的物平面。应该知道，可以利用大量其它的变换或模型，按照本发明构造和/或选择一个或多个元件。例如，可以类似地采用小波变换、拉普拉斯变换(s-变换)、z变换以及其它变换。
k空间设计不象按照几何形状、近轴光线轨迹和优化理论设计的常规光学系统，因为k空间优化使实物(组织样本、颗粒、半导体)和图像的频谱成份在k空间相同并且因而被量化。因此，在本发明中对描述对比度与分辨率和绝对空间分辨率的调制转换函数(MTF)基本上没有固有的限制。例如在k空间的量化产生不能由常规的系统实现的基本上为整体的调制变换函数。注意，可以通过在k空间设计提供的“本征空间滤波”中投影像素的“单元映射”而由很低放大率的物镜实现高MTF、空间分辨率和有效分辨的图像放大率，其中很低放大率的物镜具有理想的较低数值孔径(如，一般小于50x，数值孔径一般小于约0.7)。
如果需要，可以一起采用“无限校正”的物镜与光学元件、照明及频谱改变元件、偏振改变元件和/或对比度或相位改变元件。这些元件可以包含在“无限空间”中物镜与像透镜之间的光路上。光学系统的附件和改型由此可以定位成在此几何形状中可互换的模块。与利用“无限校正”的物镜的常规显微成像器相反，k空间设计能够通过“单元映射”原理最大地优化无限空间的几何形状。
这意味着对可以插入到“无限空间”几何形状中的附加元件的数量没有特别的限制，如同在没有光学校正的通常规定不多于2个附加元件的常规显微系统中一样。
如果需要，本发明还可以在操作中为多种不同的应用进行构建或重新构建“基本模块设计”，从而在需要时既可以采用透射式照明，也可以采用反射式照明。这实际上包括所有机器视觉照明方案(如，暗场、亮场、相衬)以及其它的显微透射技术(柯勒、阿贝)，并且可以包括顶照明及其改型。本发明的系统可以应用在多种刚性的光机电设计中，因为k空间设计实际上对环境和机械振动不敏感，并且因而一般不需要重型结构的机械设计以及隔绝常规显微成像仪器有关的振动。如果需要，其它特征可以包括数字图像处理以及按照本发明(如计算机显示器、打印机、电影、和其它输出介质)产生的图像的存储(如，局域的数据库、图像数据向远处计算机的传输以用于储存和分析)和显示。可以提供图像数据的远处信号处理以及通过例如在网络或其它介质上联通的相关数据包的图像数据的通讯和显示。
首先参见图1，图中展示了根据本发明一个方面的成像系统10。该成像系统10包括具有一个或多个接收体如像素或分散的光探测器的传感器20(例如图3中所示)，这些像素或分散的光探测器与图像转换介质30工作时相连。图像转换介质30用于或构造成在由传感器20的位置建立的像平面上定标传感器20与标号34所示的物方视场的比例。设置X和Y坐标的平面基准36以图示传感器20的外观或实际大小与物方视场34的比例或缩小。箭头38和40的方向表示传感器20的外观大小朝着物方视场34缩小的方向。
由图像转换介质30建立的物方视场34与包括进行显微检查的一个或多个物品(未示出)的物平面42的位置有关。注意，传感器20基本上可以是包含一个或多个不同大小和形状的接收体的任何大小、形状和/或工艺(如数字传感器、模拟传感器、电荷耦合器(CCD)、CMOS传感器、电荷注入器件(CID)传感器、阵列传感器、线性扫描传感器)，其中的一个或多个接收体大小类似或与响应于从物方视场34中待查物品接收到的光(如，可见光、非可见光)的各个接收体成比例。如果需要，当从物方视场34接收到光时，传感器20提供可以指向局域或远处储存装置如存储器(未示出)并通过计算机和相连的显示器从存储器显示的输出44，基本上没有任何数字处理(如从传感器存储器向显示器的直接位映射)介入。注意，也可以发生对从传感器20接收到的图像数据的局域或远处信号处理。例如，可以把输出44转换成电子数据包并通过网络和/或通过无限传输系统和协议转换到远处的系统以进行进一步分析和/或显示。类似地，可以在输出44转换到后续计算机系统以进行进一步分析和/显示之前将其储存到局域计算机存储器中。
在增强感兴趣的预定k空间频率、消减预定频率之外的频率的介质中由图像转换介质30提供的定标由新的k空间结构或设计决定。这样在图像转换介质30内具有空间频率的带通滤波的效果，并且值得注意的是根据分辨率而非放大率定义了成像系统10。如后面的详细描述所述，由k空间设计决定的成像系统10的分辨率促进了显示和存储图像的多个特点，如高效分辨的放大率、高的绝对空间分辨率、大的景深、较大的工作距离以及整体的调制转换函数以及其它特点。
为了确定k空间频率，确定传感器20上相邻接收体之间的“间距”或间隔、与相邻接收体的中心-中心距离有关的间距以及单个接收体的近似大小或直径。传感器20的间距定义传感器的泥奎斯特(Nyquist)“截止”频带。通过k空间设计加强的是此频带，而其它频率被消减。为了展示如何在成像系统10中定标，在物平面42上显示了很小的或有限衍射光斑或点50。有限衍射光斑点50代表图像转换介质30中由光学特性决定的最小可分辨的实物，下面将详细描述。出于示例的目的，表示在视场34前面并具有按照传感器20的间距决定的大小的定标的接收体54匹配或定标成与物方视场34中有限衍射光斑点50相同的大小。
换言之，传感器20中任何给定大小的接收体通过图像转换介质30将大小有效地减小成大约与有限衍射光斑点50相同的大小(或大小匹配)。这样还有以基本上传感器20的所有接收体填充物方视场34的效果，各个接收体被适当地定标成类似于有限衍射点50的大小。如同后面的详细描述，传感器的特性与物方视场34内最小可分辨实物或点的匹配/映射就绝对空间分辨率方面限定了成像系统10，并因而提高了系统的操作性能。
本发明可以配置照明源60以便光源的光子可以经物方视场34中实物的透射和/或反射，从而能够激励传感器20中的接收体。注意，如果可能自发光的物体(如荧光或磷光生物或有机材料样品、冶金材料、矿物材料、和/或其它无机材料等)发射足够的辐射以激励传感器60，则本发明可以无需照明源60地使用。但根据本发明，发光二极管提供有效照明源60。基本上任何照明源60都可以采用，包括相干光源和非相干光源，可见和非可见波长。但对于非可见波光源，传感器20将也适用。例如，对于红外或紫外光源，将分别采用红外或紫外传感器20。其它的照明源60可以包括特殊波长的照明、宽带照明、连续照明、选通脉冲照明光、科勒照明、阿贝照明、相衬照明、暗场照明、亮场照明和E照明。也可以采用透射或反射照明技术(如反射和散射)。
参见图2，系统100展示了根据本发明一个方面的图像转换介质。图1中所示的图像转换介质30可以根据上述k空间设计原理并尤其通过k空间滤波器110提供，该空间滤波器110被适应于、构成、被选择来加强预定的k空间频带114且消减此频带之外的频率。这通过确定间距“P”-传感器(未示出)中相邻接收体116之间的距离并确定滤波器110中光学介质的大小来实现，使得接收体116的间距“P”在尺寸上与有限衍射光斑120匹配。有限衍射光斑120可以由滤波器110中介质的光学特性决定。例如，光学介质如透镜的数值孔径限定了可以由透镜分辨的最小实物或光斑。滤波器110执行k空间变换，使得间距的大小有效地与有限衍射光斑120的大小或标尺匹配、“单元映射”、投影、相关联和/或缩小。
可以理解，可以提供大量的光学结构以实现k空间滤波器110。一种这样的结构可以由非球面透镜124提供，非球面透镜适于执行k空间变换并从传感器空间还原到物空间。另一种结构可以由多个透镜配置128提供，其中选择透镜组合以提供滤波和定标。还有一种结构可以采用光纤锥132或图像导管，其中以漏斗形状构造多个光纤或光纤阵列，从而执行传感器向物方视场的映射。注意，检测时光纤锥132通常在传感器和实物之间物理接触(如与显微镜滑座)。另一种可能的k空间滤波器的配置采用全息光学元件136(或其它衍射或相位结构)，其中通过全息图(或其它衍射或相位结构)(如计算机产生的、光学产生的、和或其它方法产生的)构成基本上平坦的光学表面，从而根据本发明提供映射。
k空间滤波器110所能够采用的k空间光学设计是基于传感器的“有效的投影像素间距”，是一种从传感器阵列元件背面经光学系统到物平面的物理尺寸导出的结构。共轭平面和光学变换空间通过这种方式与有效接收体的泥奎斯特“截止”频带或像素大小匹配。这使得有效分辨的图像放大率和视场以及景深和绝对空间分辨率最大。由此提供光学理论的新的应用，其不仅仅依赖于掌控常规光学元件和成像组合的近轴光线轨迹的常规几何光学设计参数，还可以以下列方式描述这种情形。
在k空间中(也称作“倒易空间”)形成实物和图像的付立叶变换。通过本发明的k空间设计执行用于图像优化的这种变换。例如，本发明采用的光学介质可以由标准的、较为价廉的“现成”元件设计，这些元件具有一种结构，其基本上对以下进行限定，即对所有的图像和物方视场，“单元映射”或“单元匹配”实物和像空间。通过设计限定物平面上小的模糊圈或有限衍射光斑120，从而以基本上一对一的对应关系在像平面(如在选择的图像传感器处)匹配像素，并且由此可以匹配像素阵列的付立叶变换。这意味着模糊圈被定标成大约与接收体或像素间距相同的大小。限定本发明，使得其构成一种本征空间滤波器，如k空间滤波器110。这种设计的限定和实施使得k空间中的物和像的频谱成份大致相等或量化。这也明确说明了传感器的调制变换函数(MTF)(与空间分辨率相反的比较)与物平面的MTF匹配。
图3表示根据本发明另一方面的光学系统200。该系统200包括具有大量接收体或传感器像素214的传感器212。例如，传感器212是传感器像素214的M×N阵列，有M行和N列(如640×480，512×512，1280×1024等等)，其中M和N均为整数。虽然显示的是总体上为正方形像素的矩形传感器212，但应该理解，传感器实际上可以是任何形状(如圆形、椭圆形、六边形、矩形等)。还应该理解，阵列内的各个像素214实际上也可以是任何形状或大小，根据本发明的一个方面，任何指定阵列212中的像素214具有类似的大小和形状。
实质上传感器212可以采用任何包含一个或多个接收体(或像素)214的技术(如数字传感器、模拟传感器、电荷耦合器件(CCD)传感器、CMOS传感器、电荷注入器件(CID)传感器、阵列传感器、线性扫描传感器)。根据本发明的一个方面，每个像素214的大小类似或成比例并响应于从待查物品接收到的光(如可见、非可见光)。
传感器212与透镜网络216相连，其中透镜网络216是根据光学系统的性能要求以及传感器212的间距大小构成。操纵透镜网络216以使由传感器212的位置建立的像平面处的传感器212(的像素214)与物方视场220成比例。物方视场220与包括一个或多个待查物品(未示出)的物平面222的位置有关。
当传感器212接收到来自物方视场220的光时，传感器212提供可以指向局域或远处储存装置如存储器(未示出)并通过计算机和相连的显示器从存储器显示的输出226，基本上没有任何数字处理(如从传感器存储器向显示器的直接位映射)介入。注意，也可以发生对从传感器212接收到的图像数据的局域或远处信号处理。例如，可以把输出226转换成电子数据包并通过网络转换到远处的系统以进行进一步分析和/或显示。类似地，可以在输出226转换到后续计算机系统以进行进一步分析和/显示之前将其储存到局域计算机存储器中。
透镜网络216提供的像素214的定标(或有效投影)由根据本发明一个方面的新颖的k空间结构或设计决定。透镜网络216的k空间设计增强了所感兴趣的预定k空间频率、消减了该预定频带之外的频率。这样在透镜网络216内具有空间频率的带通滤波的效果，并且值得注意的是就分辨率而非放大率定义了成像系统200。如后面的详细描述所述，由k空间设计决定的成像系统200的分辨率促进了显示和存储图像的多个特点，如具有高效分辨的放大率、相对高的绝对空间分辨率、大的景深、较大的工作距离以及整体的调制转换函数以及其它特点。
为了确定k空间频率，确定传感器20上相邻接收体214之间的“间距”或间隔228。该间距(如像素间距)对应于相邻接收体的中心-中心之间的距离，表示为228，当传感器包括所有大小相等的像素时该间距约为单个接收体的大小或直径。间距228定义了传感器212的泥奎斯特“截止”频带。通过k空间设计加强的是此频带，而其它频率被消减。为了展示如何在成像系统200中定标，在物平面222上显示了所需的最小可分辨光斑大小的点230。例如，点230可表示由透镜网络216的光学特性决定的最小可分辨实物。即，透镜网络构造成具有使各个像素214在物方视场220上与点230的所需最小可分辨光斑的大小大致相等的尺寸匹配或成比例的光学特性(如，放大率、数值孔径)。出于示例的目的，定标的接收体232表示在视场220前面并具有按照传感器212的间距228决定的大小，其大致与点230相同。
通过图示，透镜网络216被设计成有效地将传感器212处的每个给定接收体(如像素)214缩小到大致与点230的大小相同的大小(如，大小匹配)，典型的是可由系统210分辨的最小光斑大小。应该理解，点230可以选为如同由衍射法则(如有限衍射光斑大小)决定的透镜网络216中一种表示可由光学特性决定的最小可分辨实物的大小。由此可将透镜网络216设计成将传感器212的每个像素214有效地定标为任何等于或大于有限衍射光斑大小的尺寸。例如，可以选择可分辨的光斑大小以提供满足这些标准的任何所需的图像分辨率。
选择所需的分辨率(可分辨的光斑大小)之后，设计透镜网络216以提供放大率，由此将像素214定标到物方视场220。这具有用传感器212的基本上所有的接收体填充物方视场220的效果，各个接收体被适当地定标为与点230的大小类似，而点230的大小对应于所需的可分辨的光斑大小。传感器特性与物方视场220中理想的(如最小的)可分辨实物或点230的匹配/映射根据绝对空间分辨率定义了成像系统200，并根据本发明的一个方面提高了系统的操作性能。
通过进一步的图示，为了提供按照此示例的单元映射，假设传感器阵列212提供大约为10.0微米的像素间距228。透镜网络216包括物镜234和第二透镜236。例如，物镜234可以设置成与第二透镜236无限共轭，物镜和第二透镜之间的间隔灵活可变。透镜234和236彼此相关，从而实现从传感器阵列220限定的传感器空间到物平面222定义的物空间的减小。注意，基本上所有的像素214都被投影到由物镜234限定的物方视场220。例如，各个像素214通过物镜234定标成约为理想的最小可分辨光斑大小的尺寸。在此实例中，像平面222处的理想分辨率是一微米。因此，以十倍的放大率将十微米的像素背投到物平面222并将其缩小到一微米的大小。
阵列212以及相关的像素214的大小的缩小可以通过选择转换透镜236具有大约150毫米的焦距“D2”(从阵列212到转换透镜236)并通过选择物镜具有大约15毫米的焦距“D1”(从物镜236到物平面222)实现。通过这种方式，像素214的大小被有效地缩小到大约1.0微米每个像素，由此与理想的可分辨的光斑230大小匹配并用实质上缩小的像素阵列填充物方视场220。可以理解，也可以采用其它的一个或多个透镜配置以提供理想的定标。
鉴于前述，本领域的技术人员将可以知道，根据本发明的一个方面，光学介质(例如透镜网络216)可以由标准的、较为价廉的“现成”元件设计，这些元件具有一种结构，其基本上对以下进行限定，即对所有的图像和物方视场，“单元映射”或“单元匹配”实物和像空间。透镜网络216、尤其是物镜234在k空间(也称作倒易空间)执行物和像的付立叶变换。就是这种变换通过本发明的k空间设计进行图像的优化。
物平面中的小模糊圈或艾里斑(Airy disk)通过设计限定，在像平面(如选择的图像传感器处)中基本上与艾里斑一对一对应的使像素匹配并且可以使像素阵列的付立叶变换匹配。这意味着通过光学设计，艾里斑通过透镜网络216定标成大约与接收体的大小或像素间距相同。如上所述，限定透镜网络216，从而构成一个本征空间滤波器(如k空间滤波器)。这种设计的限定和实施能够使得k空间的物和像的频谱分量大致相同或量化。这样也明确了传感器的调制变换函数(MTF)(对比度与空间分辨率的比较)可以与根据本发明一个方面的物平面的MTF匹配。
如图3所示，k空间定义为物镜234和第二透镜236之间的区域。注意，基本上按照单元或k空间映射来缩小、映射和/或投影传感器阵列212到物方视场220的任何光学介质、透镜类型和/或透镜的组合都处于本发明的范围之内。
为了说明图3所示透镜/传感器组合的新颖性，注意到，按照常规几何近轴光线技术的大小的常规物镜通常做成与物镜提供的放大率、数值孔径、焦距和其它参数相符的大小。因此，该物镜的大小将做成具有比后续透镜大的焦距，其中该后续透镜接近或较接近传感器(常规显微镜中的目镜)，以便提供小实物的放大。这样可以导致小实物在物平面放大，穿过传感器的“部分”投影成实物的放大的像，并造成已知细节的模糊(如瑞利(Rayleigh)散射和光学元件的其它限制)，空放大问题以及传感器其它问题中的泥奎斯特混叠失真。本发明的k空间设计以不同于常规几何近轴光线设计原理地另一种方式进行。即，操作物镜234和第二透镜236以提供传感器阵列212到物方视场220的尺寸缩小，正如透镜的关系所证实。
本发明可以配置照明源240以便该光源的光子可以经物方视场234中实物的透射和/或反射而激励传感器212中的接收体。注意，如果可能自发光的物体(如具有前述发光特性的实物或样本等)发射足够的辐射以激励传感器12，则本发明可以无需照明源240地使用。基本上任何照明源240都可以采用，包括相干光源和非相干光源，可见和非可见波长。但对于非可见波长光源，传感器212将也适用。例如，对于红外或紫外光源，将分别采用红外或紫外传感器20。其它合适的照明源240可以包括特殊波长的照明光、宽带照明光、连续照明光、选通脉冲照明光、科勒照明、阿贝照明、相衬照明、暗场照明、亮场照明和顶照明等。也可以采用透射或反射照明技术(如反射和散射)。
图4表示X轴上投影的像素大小与Y轴上有限衍射光斑分辨率大小“R”之间的映射特性曲线300和比较。曲线300的顶点310对应于投影的像素大小和有限衍射光斑大小之间的单元映射，表示根据本发明的透镜网络和传感器之间的优化关系。
可以理解，通常应不选择物镜234(图3)，使得最小可分辨实物的有限衍射光斑大小“R”小于投影的像素大小。否则将会发生“经济浪费”，其中更多精确的信息将丢失(如，选择比所需要的更贵的物镜，如具有更大数值孔径的物镜)。这表示成在标号330右边的划分线320，表示投影的像素340大于两个较小的衍射光斑350。相反，在选择具有有限衍射性能的大于投影像素大小的物镜时，会发生模糊和空放大。这表示成标号360左边的划线320，其中投影像素370小于有限衍射光斑实物380。但可以知道，即使在投影的像素大小和有限衍射光斑之间达不到基本上一对一的对应，也可以以次于优化匹配(如从曲线300的顶点3 10到线条320左侧或右侧缩小0.1％、1％、2％、5％、20％、95％)的条件构成系统并根据本发明的一个方面提供合适的性能。因此，意中的次优化匹配也意在落入本发明的实质和范围之内。
还知道，图3所示系统中的透镜直径应该被做成这样的大小，即当执行从物空间到传感器空间的付立叶变换时，处于上述通带区域的感兴趣的空间频率(用于限定像素的大小和形状的频率)基本上不衰减。这通常意味着应该选择较大直径的透镜(如大约10～100毫米)以消除感兴趣的空间频率的衰减。
参见图5，图中示出了本发明的调制变换函数400。在Y轴上展示了从0到100％的调制比例，定义了黑白之间的对比度百分比。在X轴上，以微米的间隔展示了绝对空间分辨率。线条410表示调制百分比在空间分辨率变化时基本上保持大约100％的恒定。因此，对于本发明，调制变换函数大约为1，高达传感器的信噪比灵敏度的限度。出于图示的目的，常规光学设计的调制变换函数由线条420表示，它可以是一条指数渐近曲线，以随调制百分比(对比度)的减小而总体上减小空间分辨率为特征。
图6表示本发明可量化的灵敏度(FOM)特征，主要以两个因素限定绝对空间分辨率(RA，微米)表示在Y轴上；表示在曲线500的X轴上的视场(F，微米)。称作“空间场数”(S)的合理的FOM表示成前面两个量之比，较大的S值适于成像S＝F/RA线条510表示FOM在视场上以及在比常规系统增强的绝对空间分辨率的不同值上基本上保持恒定。
图7、8、14、15和16表示根据本发明实现成像性能的方法。为了简化解释的目的，展示并描述了本方法的一系列动作，但应该知道，本发明不限于这些动作的顺序，因为本发明的一些动作可以以不同所示的顺序和/或与其它的动作同时发生。例如，本领域的技术人员将会理解，该方法也可以表示成一系列相关的状态或事件，如状态简图。而且也并非需要所有示出的动作来执行本发明的方法。
转过来看图7的610，选择透镜以提供单元映射和k空间设计的优化，其中该透镜在大致相同大小的像素处具有有限衍射光斑特性。在614处，还选择透镜特性以消减k空间中空间频率的减少。如上所述，这一般意味着选择较大直径的光学元件以消减感兴趣的理想的k空间频率的衰减。在618处，选择透镜结构，使得在由传感器位置限定的像平面上具有间距“P”的像素按照距离物方视场大约为有限衍射(如，单元映射)的光斑大小的间距定标。在622，通过为直接显示而从实时监测和/或储存在存储器中数据的传感器中向计算机显示器输出数据，和/或在存储器内进行后续的局域或远处图像处理和/或分析。
图8表示可以用于设计根据本发明一个方面的光学/成像系统的方法。该方法起始于700，在该步中为系统选择一个合适的传感器阵列。传感器阵列包括一个具有已知间距大小的接收体像素矩阵，已知的间距大小通常由制造商确定。该传感器实际上可以有各种形状(如，矩形、圆形、正方形、三角形等)。通过图示，假设选择的是640×480像素的传感器，具有10μm的间距大小。应该知道，可以根据本发明为各种类型和/或大小的传感器设计光学系统。
接下来，在710步，定义图像的分辨率。图像的分辨率对应于像平面上最小的理想的可分辨光斑大小。图像分辨率可以根据被设计的光学系统的应用来定义，如大于或等于最小有限衍射光斑大小的分辨率。因此，应该理解，分辨率成为一种可以量身定做的可选择的设计参数，从而为实际上任何类型的应用提供理想的图像分辨率。相反，最常规的系统趋于按照瑞利散射限制分辨率，对给定的波长提供不能超过衍射限度的本征空间分辨率。
选择了理想的分辨率(710)之后，在720步确定适当量的放大率。例如，使放大率与传感器的像素间距和最小的可分辨光斑大小功能性地相关。放大率(M)可以表达如下M＝x/y 方程1
此处，x是传感器阵列的像素间距；和y是理想的图像分辨率(最小光斑大小)。
因此，对于上述像素间距为10μm并假设理想的图像分辨率为1μm的实例，方程1提供了十倍放大的光学系统。即，该透镜系统构造成向物平面背投10μm的像素并将各个像素缩小为1μm可分辨的光斑大小。
图8的方法还包括在730步确定数值孔径。数值孔径(NA)按照已经建立的衍射法则确定，使物镜的NA与在步骤710确定的光学系统的最小可分辨光斑大小相关。通过该实例，可以根据下列方程计算NANA＝0.5λ/y 方程2此处，λ是用在光学系统中的光的波长；和y是最小光斑大小(如，在710步确定的大小)。
继续本例，其中光学系统具有y＝1μm的可分辨光斑大小，并且假设大约有500nm(绿光)的波长，NA＝0.25，满足方程2。注意，市售的较为廉价的放大率为10倍的物镜提供0.25的数值孔径。
应该知道，NA、波长和方程2表示的分辨率可以根据考虑到物镜和聚光器的性能的各种因素以不同的方式表述。因此，根据本发明的一个方面，在步骤730的确定不限于任何具体的方程，而是简单地遵循普通的物理定律，其中NA功能性地与波长和分辨率有关。根据选取的传感器设计透镜参数之后(700)，可以布置相应的光学元件，从而根据本发明的一个方面提供光学系统(740)。
为了图示的目的，假设按照图8的方法建立的光学系统用于显微数字成像。在经典的显微术中，通过比较进行成像并分辨大小接近1微米(以及更小)的结构，通常需要上百倍的放大率。其基本原因在于对于选择的传感器是人眼的情形按照传统地设计这些光学元件。相反，图8的方法考虑到传感器后设计光学系统，该光学系统以降低的成本提供显著增强的性能。
在k空间设计法中，根据本发明的一个方面，在具有已知的固定尺寸的分散传感器周围设计光学系统。结果是该方法提供更直接的、结实的不贵的光学系统设计方式，将传感器的大小“背投”到物平面上并计算放大因子。该方法的第二部分使提供放大的光学元件具有足够的NA，从而光学地分辨与背投的像素有类似尺度的光斑。有利的是根据本发明的一个方面设计的光学系统可以利用常规的和/或现成的元件。因此，对于本实例，可以采用根据本发明一个方面的便宜的光学元件获得合适的结果，但校正良好的显微镜光学元件却不贵。如果利用常规设计的光学元件，则根据本发明的一个方面，允许的放大率以及数值孔径的范围变得有实效，并且可以在利用现成光学元件时可以实现一些性能增益。
鉴于结合图1-8所述的上述原理，可以通过本发明实现并提高大量相关的成像应用。例如，这些应用可以包括但不限于成像。控制、检查、显微和/或其它自动分析，如(1)生物医学分析(如细胞菌落数测定法、组织学、冷冻切面、细胞学、血液学、病理学、肿瘤学、荧光分析、干涉法、相位和许多其他临床显微镜应用)；(2)确定粒子大小的应用(如医药制造、涂料制造、化妆品制造、食品加工工艺等)；(3)空气质量监测和空中浮游颗粒的测量(如，清洁室的鉴定、环境鉴定等等)；(4)光学缺陷分析和对透明和不透明材料的高分辨显微监测的其它要求(如在冶金学中，自动半导体检测和分析，自动观察系统，3-D成像等等)；(5)成像技术，如照相机、复印机、传真机和医疗系统。
图9、10、11、12和13表示了一些可以采用参考图1-8所述的原理构造的系统实例。图9是适用于本发明成像系统800中光路的流程图。
系统800采用光源804，该光源发射由聚光器808接收的照明光。聚光器808的输出可以通过折叠反射镜812导向显微镜聚光器816，该聚光器将照明光投到滑动台820上，其中的实物(未示出，位于滑动台的顶部或滑动台之内)可以按照本发明成像。滑动台820可以通过计算机824和相连的滑动进料机构828自动(和/或手动)定位，以便在由物镜832限定的视场内对一个或多个实物成像。注意，系统800中展示的物镜832和/或其它元件可以通过计算机824和相连的控制机构(未示出)(如，侍服电机、管状滑动台、线性和/或旋转位置编码器、光的、磁的、电子的或其它的反馈机构、控制软件等)被手动和/或自动调节，从而实现不同的和/或理想的图像特性(如出现在视场中的实物的放大、聚焦、景深灯)。
从物镜832输出的光可以通过选用的分束器840导向，其中分束器840与包括光整形元件844和相连的光源848的顶照明(Epi-illumination)部分842一起起作用(从上面的滑动台820对实物照明)。通过分束器840的光被成像透镜850接收。从成像透镜850的输出经折叠反射镜860导向CCD或其它成像传感器或器件854。CCD或其它成像传感器或器件854把从实物接收到的光转换成数字信息以转换到计算机824，实物的图像可以实时显示给用户和/或储存到存储器864。如上所述，限定由CCD或其它成像传感器或器件854捕获的图像的数字信息可以通过计算机824将路由选择成给显示器/存储器864的位映射信息。如果需要，可以执行图像处理，如自动比较预定的样品与或图像，从而确定待检实物的本性和/或分析待检实物。这样还可以包括采用基本上任何类型的图像处理技术或可以应用到存储器864中的捕获的图像数据的软件。
图10是表示根据本发明的一个方面进行成像设计的一种模块实例的系统900。该系统900可以是基于传感器阵列910(如，设置有现成的相机)，传感器阵列的像素间接约为8μm(或其它尺寸)，阵列的大小可以从640×480变化到1280×1024(或如上所述的其它尺寸)。系统900包括一种模块设计，其中各个模块实际上与其它的模块隔绝，由此减小排列容限。
模块可以包括·相机/传感器模块914，包括成像透镜916和/或折叠反射镜918；·顶照明模块920，用于插入到k空间区域922；·样品持着和呈现模块924；·包括聚光器934的光束整形模块930；和·子台座照明模块940。
注意，系统900可以有利地采用市售的元件，如
·用于照明演示的聚光器元件934(NA＜＝1)；(如，Olympus U-SC-2)·标准的平面/消色差物镜944，其光焦度和数值孔径、如(4x，0.10)、(10x，0.25)、(20x，0.40)、(40x，0.65)选为满足理想的特性，对于给定的放大率，在物平面上投影的像素间距尺寸上类似于光学元件的有限衍射光斑可分辨光斑。
·(如，Olympus1-UB222，1-UB223，1-UB225，1-UB227)例如在成像透镜916用作一个f＝150mm的消色差的三合透镜时，系统900利用物镜944和成像透镜916之间的无限空间(k空间)在922处的k空间区域进行附件和/或附加的光学元件、模块、滤波器等等的插入。另外，可以提供物镜944和成像透镜916之间的无限空间(k空间)以进行光(通过光形成路径)向光路中的入射，用于顶照明。例如，用于顶照明的光束形成路径可以包括·光源950，例如由电流稳定的电源驱动的LED；(如，HP HLMP-CW30)·透射全息摄影，用于光源均匀以及在950处的空间虚光源的组装；(如，POC光束整形扩散聚酯膜30°的FWHM)·在960处的可变孔径，将光源950的NA限制到成像光学元件的NA，由此消除进入到成像光路中的发散光的效果；·(如，Thrlabs光阑SM1D12 0·5-12·0mm孔径)·在960处采用的会聚透镜，使从虚光源950收集的光最大化，并使该光源的k空间特性与成像光学元件的特性匹配；和·(如，f＝50mm的非球面透镜，f＝50mm的消色差双合透镜)·部分反射分束器964，用于形成共轴光路和图像路径。例如光学元件964在第一表面上提供50％的反射率(以45°的斜率)，并且被宽带抗反射地涂覆在第二表面上。
子台座照明模块940由一种基本上类似于上述顶照明的配置提供，例如·光源970(由稳流电源驱动的LED)(如，HP HLMP-CW30)
·透射全息摄影(与光源970相连)，用于匀化光源和重组空间虚光源的目的(如，POC光束整形扩散聚酯膜30°的FWHM)·会聚透镜974，用于使从虚光源970收集的光最大化，并使该光源的k空间特性与成像光学元件的特性匹配；和·(如，f＝50mm的非球面透镜，f＝50mm的消色差双合透镜)·可变孔径980，将光源970的NA限制到成像光学元件的NA，由此消除进入到成像光路中的发散光的效果；·(如，Thrlabs光阑SM1D12 0·5-12·0mm孔径)·反射镜988，用于转折光路90°并提供微调，以便精确地对准光学模块；和·中继透镜(未示出)，用于将可变孔径980的图像精确地定位到物平面(在滑块990一侧)，由此与全息扩散器适当地配置一起，实现科勒照明。
(如，f＝100mm的简单平凸透镜)如上所述，提供计算机994和相连的显示器/存储器998，从而实时显示和/或储存/处理根据本发明捕获的数字图像。
图11表示根据本发明一个方面的系统1000。在此方面，子台座照明模块1010(如科勒、阿贝)可以经透射滑块1020(未示出，待检的实物)投射光束，其中消色差的物镜1030从滑块接收光束并将光束导向1040处的图像捕获模块。注意，消色差物镜1030和/或滑块1020可以手动和/或自动控制，从而定位待检实物和/或定位物镜。
图12表示根据本发明另一方面的系统1100。在此方面，顶台座或顶照明模块1110可以向不透明滑块1120(未示出，待检实物)投射光束，其中物镜1130(可以是复合透镜或其它类型)接收来自滑块的光束并将光导向图像捕获模块1040。如上所述，物镜1130和/或滑块1120可以手动和/或自动控制以定位待检实物和/或定位物镜。图13表示类似于图11中系统1000的系统1200，除了采用复合物镜1210替代消色差物镜外。
以上结合图1-13所述的成像系统和过程可以用于捕获/处理样品的图像，其中成像系统与处理器或读出由成像系统产生的图像的计算机耦合，并比较该图像与以各种当前的存储技术储存的插件板数据(on-board data)中各个的图像。
例如，计算机可以包括一种分析元件以执行比较。图像处理中采用的一些算法可以包括但不限于卷积(多种其它算法的基础)、FET、DCT、细化(thinning)(或框架化)、边缘探测和对比度增强。这些通常以软件进行，但为了提高速度也可以采用特殊目的的硬件。FFT(快速付立叶变换)是一种计算一组离散的数据值的付立叶变化的算法。给出一组有限的数据点，例如是从实部空间信号中提取的周期性样品，则FFT以其频率组份的形式表示该数据。同时，还考虑涉及由频率数据重构信号基本一致的反转。DCT(离散的余弦波形)是一项把波形表述为余弦加权和的技术。有各种为图像处理设计的现存的程序语言，包括但不限于IDL、Image Pro、Matlab和许多其它语言。对同时还可以写下以执行功能的图像操作和分析的特别和定制图像处理算法没有特别限制。
本发明的k空间设计还允许包含在图像中的付立叶频率信息与储存的信息直接光学相关联，从而对给定的样品实物执行实时的光学相关的图像处理分析。
图14表示可与前述系统及过程一起采用的度量颗粒大小的应用1300。鉴于根据前述的k空间设计原理，度量颗粒的大小可以包括颗粒的实时、闭路/开路监视、产品以及控制。这可以包括对具有类似或不同大小的各种颗粒(n种不同的大小，n为整数)的自动分析和探测技术以及m种形状/尺度颗粒的识别。在本发明的一个方面，探测和分析所需颗粒的大小可以通过直接测量的方式实现。这意味着每个像素的绝对空间分辨率直接在线性测量单位上涉及(或实际上)成像的颗粒，基本上不考虑颗粒介质和相关的颗粒分布。直接测量一般不建立模式但以任何给定的样品提供图像颗粒的计量和形态。这消减了模式算法、统计算法的处理和现行技术呈现的其它模式限制。问题由此变成样品处理和形成之一，其提高了测量的准确和精确度，因为如果需要，颗粒数据被直接成像和测量而不被模型化。
进行到度量颗粒大小的应用1300的1310步，确定颗粒大小的图像参数。例如，如前所述，可以构成基本的器件设计用于以每个像素理想的绝对空间分辨率和有效分辨的放大率成像。这些参数决定视场(FOV)、景深(DOF)和工作距离(WD)。实时测量可以通过以选定的计时间隔、以通常的视频速率和/或以理想的图像捕获速率的实时成像来实现。实时成像可以通过对后续图像过程在选定的时刻捕获图像来获得。非同步的成像可以通过在选定的时刻捕获图像、在选定的时刻对仪器脉冲照明以及对后续图像处理的占空比来实现。
在1320，选取样品引进过程以进行自动(或手动)分析。样品可以引入到根据本发明以下列(但不限于)任何一种成像过程适用的成像装置中1)所有先前描述的方法以及透射介质；2)透明小容器、滑块和/或透射介质中的各个手动样品；3)气体或液体的连续颗粒流；4)对于用于反射成像的成像装置，样品可以是不透明的并放置在不透明的“载体”(自动和/或手动)上，基本上不涉及材料分析。
在1330，构成一种过程控制和/或监视系统。通过直接测量颗粒的特性(如可以自动确定的大小、形状、形态、界面、分布、密度、封装部分和其它参数)来实施过程的实时、闭路和/或开路监视、产品(如颗粒大小周围的闭路)及控制。可以理解，虽然在给定的颗粒样品上进行直接测量技术，但如果需要也可以对成像的样品实施自动算法和/或处理。而且，基于直接测量的颗粒特征装置实际上可以安装在制造过程中的任何指定点以监视和联系颗粒的特性，以便于通过直接测量进行过程控制、质量控制等。
在1340，可以选择多种不同的样品进行分析。例如，可以在连续流动、周期、和/非同步的过程中引入前述任何形式的颗粒样品，以在做为过程闭合反馈回路系统的一部分的装置中进行直接测量，从而控制、记录和/或传递给定类型的样品的颗粒特性(如果需要，也可以包括开路技术)。非同步和/或同步(第一用由一个事件发送的触发信号、或由一个产生触发信号激励成像的事件或实物所发送的触发信号来限定成像，第二用发送给触发器照明的计时信号来限定成像。)非同步和/或同步成像可以通过脉动照明源实现，以基本上任何颗粒流速与理想的像场复合。这可以通过例如计算机和/或通过“触发器”机构、可以是机械的、光学的和/或电的来控制，以给定的占空比闪亮或闪灭滑动台的照明，使得图像传感器捕获、显示和激励用于处理和分析的图像。这样提供了指定的照明和成像的直接过程，可以有效定时地“停止行动”—或是相反，“冻结”介质中流动颗粒的运动。另外，这使得像场中的样品能够捕获场内的颗粒以便于后续的图像处理和分析。
实时(或基本上实时)、闭路和/或开路监视、制造和通过基于k空间的过程控制、在1340步的颗粒特性的直接测量可以应用到很宽的处理范围，包括(但不限于)陶瓷、金属粉末、医药制品、水泥、矿物、矿石、涂层、粘合剂、色素、染料、碳黑、过滤材料、爆炸物、食物、预制剂、健康及美容乳剂、聚合物、塑料、胶束、饮料-和更多基于颗粒的需要过程监视和控制的物质。
其它的应用包括但不限于●仪器校准和标准；●工业-卫生研究●材料研究●能量及燃烧研究●柴油机和汽油机尾气测量；●工业尾气抽样；●基本气溶胶研究；●环境研究；●生物-气溶胶探测；●医药制品研究；●健康和农业试验；●吸入中毒性；和/或●过滤测试在1350步，会发生基于软件和/或硬件的计算机化的图像处理/分析。本发明采用的装置发出的图像基本上可以以任何硬件和/或软件过程进行处理。基于软件的图像处理可以通过常规的软件和/或商业化的软件实现，因为图像文件格式是数字格式(如，捕获的颗粒的位映射)。
也可以通过下列方式提供分析、确定特征等例如，分析可以是基于计量学的(基于直接测量)和/或比较性(基于数据)的。
比较分析可以包括对已知颗粒的图像数据的数据库和/或其改型进行比较。高等的图像处理可以在实时和/或周期性的样品测量中进行特征化并编目。可以按照需要舍弃和/或记录数据，而与已知的样品特征匹配的数据可以开始适当选取的响应。另外，适用于本发明装置可以连接在任何数据转换过程中以用于通讯。这可以包括无线、宽带、电话调制解调器、标准远程通信、以太网或其它网络协议(如，互联网、TCP/IP、蓝牙、电缆TV传输及其它)。
图15表示根据本发明一个方面的可与前述系统和过程一起采用的荧光应用1400。适用于本发明k空间系统有一个照明系统，该系统包括一个低强度光源1410，如发光二极管(LED)，发射波长约为250～400nm的光(如紫外光)。LED可以用于提供在此处所述的顶照明、透射照明(或其它方式的照明)。LED(或其它低功率照明)的使用也使得能够波导照明，其中UV激发波长进入到支撑待测试实物1420的平面表面，使得UV光的迅衰波耦合可以在实物内激发荧光。例如，可以在实物位于其上的衬底的直角方向提供UV光。在1430，LED(或其它光源或它们的组合)可以在预定的时间周期内发光和/或控制成以选通脉冲的方式按所需的脉冲速率发射光束。在1440步，以1430步决定的周期对实物实施激励。在1450步，在激发周期内对实物进行自动和/或手工分析。
通过图示，对紫外线敏感的实物响应于光源发出的UV光的激励而发荧光。荧光是材料(有机的或无机的)的一种状态，其中材料在吸收激发光的同时继续发射光。荧光可以是材料(如，自发荧光)的固有特性或可以是被感应的，如通过采用荧光着色剂或染料。染料对特定的蛋白质或其它接收体可以具有吸引力，从而便于发现与实物有关的不同状态。在一个特例中，荧光显微术和/或数字成像提供了一种研究各种显示出发射二次荧光的材料的方式。
通过进一步的实例，UV LED(或其它光源)可以在短时间周期内产生强烈闪烁的UV辐射，在很短的时间(如毫秒～秒)之后由传感器(适应于激发波长的传感器)构成图像。这种模式可以用于研究被测试实物(或样品)的荧光成分的时间衰减特性。这对于实物的两部分(或不同的样品)会在相同的连续照明下有基本上相同的荧光响应、但可能有不同的发射衰减特性的情况是很重要的。
做为利用低功率UV光源、如LED的结果，从光源发出的光可以造成被测试实物的至少一部分发射光，发射的光通常不是紫外波长。因为至少一部分实物发荧光，前或后荧光图像可以与实物发荧光期间获得的图像相关，由此确定实物的不同特性。
相反，最常规的荧光系统构造成辐射样本并再分离非常弱的再辐射荧光与较亮的激发光，一般的是通过滤波器。为了能够探测到荧光，常规的系统通常需要功率强大的光源。例如光源可以是汞灯或氙弧光(喷)灯，其产生足以对荧光样本成像的高强度照明功率。除了发热(如，典型的是100-250瓦的灯)外，这些类型的光源一般具有很短的工作寿命(如10-100小时)。另外，这些常规光源的电源通常包括计时器以助于跟踪使用的小时数，因为弧光灯如果用得超过它们的额定寿命，易于变得无效并易于破损。而且，汞灯通常不能在紫外到红外的谱段上提供均匀的强度。这通常需要精确地滤波以去除不需要的光波长。
因此，将会理解，根据本发明的一个方面，利用UV LED提供基本均匀强度的所需UV波长，从而消减功耗以及使用其所产生的热。另外，LED光源的更换成本也显著地低于常规灯泡。
图16表示根据本发明一个方面的薄膜应用1500。通常，膜和薄膜可以根据薄层(以适当的方式沉积到选择的不同衬底上一些材料或多种材料的、从分子厚度变到微观厚度再变到宏观厚度)来确定特征，并且可以包括(但不限于)下列任何一个金属涂层(如反射式的，包括部分、不透明和透射式)、光学涂层(如，干涉、透射、抗反射、带通、阻挡、保护性的、多涂层等)、电镀(如，金属的、氧化的、化学的、抗氧化的、热的等)、导电的(如沉积并构建的宏观和微观电路)、光学导体的(如，折射率变化的沉积的光学材料、微观-和宏观“电路”)。还可以包括任何衬底上的其它涂层和层状膜以及膜状材料，可以通过以不同方式沉积来特征化，从而在所述的衬底上以理想的厚度、坚固性、连续性、均匀性、黏附性以及其它与任何给定的沉积膜有关的参数留下一些材料的理想层。有关的薄膜分析可以包括微泡探测、微小的碎片、沉积的裂痕等。
继续进行到1510步，根据本发明的一个方面为薄膜分析构造k空间系统。对于薄膜检查和特征化的问题应用的k空间成像装置可以用于识别并特征化薄膜或膜中的裂纹。此系统可以用于进行1)手动观察具有所有类型的沉积膜的衬底；2)自动观察/分析并特征化带有所有类型的沉积薄膜的衬底以用于合格-不合格检查；3)自动观察并特征化具有所有类型的沉积薄膜的衬底以用于计算机控制的比较沉积，这可以包括用于查对、鉴定等向选取的、写入记录介质(例如CD-ROM，DVD-ROM)的图像数据。
可以构造k空间装置用于以每个像素理想的绝对空间分辨率(ASR)和理想的有效分辨的放大率(ERM)进行成像。这些参数用于确定FOV、DOF和WD。这可包括基于物镜的设计结构和/或消色差设计结构(如对于宽的FOV和适中的ERM和ASR)。可以根据检验参数选择照明以做为透射照明和/或顶照明。
在1520步，以由下述步骤扫描的方式将衬底安置在成像器中1)通过光学扫描的方法移动光学成像路径2)标引通过机械运动和控制直接测试的实物(如，通过计算机的自动标引或通过操作者的手工标引)。这样便于按照需要检查整个表面或部分表面。
如上所述，在度量颗粒大小的上文中，可以以通常的视频速率和/或图像捕获速率对各个扫描区域(如FOV确定的区域)提供以选定的计时间隔和/或实时进行非同步成像。对于后续的成像过程可以以理想的频率捕获被标引的和/或被扫描区的图像。另外，样品可以以手动和/或自动的方式从“馈进机构”如从传输系统引入到装置中。
在1530步，确定并应用对于薄膜应用的工作参数。典型的工作参数可以包括(但不限于)1)对各种裂纹和特征成像，包括但不限于颗粒和薄膜表面(或之内的孔)；2)按照反射和透明表面的需要变化的模块设计；3)通过大小、位置和/或数量对连续标引(和/或“扫描”)的图像区(具有标引标识和各个样品表面的总数)进行自动的表面裂纹的计数和分类；4)缺陷的登记位置以用于后续的手工检查；5)以标准格式提供图像以用于后续部分(如，通过以太网或其它协议)或手工和/或自动图像处理，以用于在计算机、服务器和/或客户机中存档和编制文献；6)每个表面秒～分钟的额定扫描时间依赖于总面积。扫描和编制索引的速度通常理解为随样品面积和后续处理而变。
在1540步，会发生基于软件和/或硬件的计算机化的图像处理/分析。来自适用于本发明的装置的图像可以按照实际任何硬件和/或软件过程处理。基于软件的图像处理可以通过现成软件和/或市售软件实现，因为图像文件格式是数字格式(如捕获的胶片的位映射)。可以通过下列方式提供分析、确定特征等例如，分析可以是基于计量(基于直接测量)和/或比较(数据库)。比较分析可以包括与已知胶片的图像数据的数据库和/或它们的改型进行比较。高等的图像处理可以在实时和/或周期性的样品测量中进行特征化并编目。可以根据需要舍弃和/或计量数据，而与已知样品的特征匹配的数据例如可以开始适当选取的响应。另外，可以连接适用于本发明的装置以用于任何数据传输过程中的通讯。这可以包括无线、宽带、电话调制解调器、标准电信、以太网或其它网络协议(如，互联网、TCP/IP、蓝牙、电缆TV传输及其它)。
在本发明的另一方面，上述适用的成像系统在生物材料的其它特征中提供高效分辨的放大率和较高的空间分辨率，并提供了可以合并提供改进的生物材料成像系统和方法的方法。本发明的生物材料成像系统和方法能够产生改进的图像(较高的有效放大率、提高的分辨率、提高的景深等)，由此进行生物材料的标识以及生物材料(如正常的或非正常的)的分类。
生物材料包括微生物(由于太小而不能被裸眼观察到的有机体)，如细菌、病毒、原生动物、霉菌和纤毛虫；有机体的细胞材料，如细胞(溶解的胞内材料或整个细胞)、蛋白质、抗体、脂质和碳水化合物，加标签的或没加标签的；和有机体部分，如细胞团(组织样本)、血液、瞳孔、眼膜、指尖、牙齿、皮肤部分、头发、粘膜、膀胱、胸部、男性/女性生殖系统、肌肉、血管、中枢神经系统、肝脏、骨头、结肠、胰脏等。因为本发明的生物材料成像系统可以适用较大的工作距离，所以可以直接检查人体的部位而无需移去组织样本。
细胞包括人体细胞、非人体的动物细胞、植物细胞和合成/研究细胞。细胞包括原核的和真核细胞。细胞可以是健康的、癌变的、变异的、受损的或病变的。
非人体细胞的例子包括碳疽、放线菌、固氮菌、杆菌痈、仙人掌杆菌、畸形菌体类、百日咳杆菌、布氏疏螺旋体、空肠弯曲杆菌、衣原体类、梭菌属类、氰细菌、恐兽球菌、埃希氏大肠菌、关肠球菌、嗜血杆菌属流感、幽门螺杆菌、克雷白氏肺炎杆菌、乳酸杆菌、细胞内弯曲杆菌、军团病菌、李斯特菌、球菌、麻风分枝杆菌、肺结核分枝杆菌、粘霉菌、淋病双球菌、脑脊髓膜炎双球菌、普雷沃菌、粘液水肿菌、沙门氏菌、粘质沙雷氏菌、志贺氏杆菌类、金黄色葡萄球菌、链球菌、纳米比亚的硫珍珠(Thiomargarita namibiensis)、密螺旋体属苍白球、霍乱孤菌、耶尔辛氏肠炎菌和鼠疫耶氏菌等。
生物材料的其它例子包括导致下述病伤风、感染、痢疾、衣原体、淋病、结膜炎、碳菌、脑膜炎、食物中毒、腹泻、布鲁氏杆菌病、弯曲杆菌属细菌、念珠菌病、霍乱、球孢子菌病、隐球菌病、白喉炎、肺炎、食物传染、鼻疽病(鼻疽伯克霍尔德氏菌)、流感、麻风病、组织胞浆菌病、军团病、沟端螺旋体病、李氏杆菌病、类鼻菌、诺卡氏菌病、非结核分枝杆菌、消化性溃疡、百日咳、肺炎、鹦鹉热、肠炎沙门氏菌、志贺氏杆菌痢疾、孢子丝细菌病、咽喉链球菌、中毒性休克并发症、沙眼、伤寒、尿道感染和莱姆病等。如后所述，本发明还涉及上述病的任一诊断方法。
人体细胞的例子包括成纤维细胞的细胞、骨骼肌细胞、嗜中性白血细胞、淋巴白血细胞、成红血细胞、成骨细胞、软骨细胞、嗜碱白血细胞、嗜酸白血细胞、脂肪细胞、无脊椎神经元(Helix aspera)、哺乳神经元、肾上腺髓质细胞、黑素细胞、上皮细胞、内皮细胞；各种类型的肿瘤细胞(特别是黑素瘤、白血病髓细胞、肺、乳腺、卵巢、结肠、肾、前列腺和胰脏癌及其测试)、心肌细胞、内皮细胞、上皮细胞、淋巴细胞(T细胞和B细胞)、肥大细胞、嗜酸细胞、血管内膜细胞、肝细胞、包括单核白细胞的白细胞、干细胞如haemopoetic、中性、皮肤、肺、肾、肝和肌干细胞、破骨细胞、软骨细胞和其它连接组织细胞、角质细胞、黑素细胞、肝细胞、肾细胞和脂肪细胞。研究细胞的例子包括变换细胞、Jurkat T细胞、NIH3T3细胞、CHO、COS等。
在美国标准细胞库细胞系(ATCC Cell Line)和)杂种细胞，细菌和抗菌素，酵母，真菌学和澳洲细羊毛和原生生物中可以发现有用的细胞系列源和其它生物材料藻类和原生动物，以及其它可从AmericanType Culture Co.(Rockville，Md.)中得到的材料，所有的内容在此引为参考。这些都是非限定性的例子，还可以列出其它的生物材料。
在一些例子中的生物材料的标识和分类可以进行疾病的诊断。因此本发明还提供了探测和确定病理特征的方法，病理特征例如有癌症、肌肉骨骼系统的病理、消化系统、生殖系统和消化道，除了动脉粥样硬化、血管生成、动脉硬化、发炎、动脉粥样硬化心脏病、心肌梗塞、动脉或静脉壁创伤、神经变性紊乱和心肺紊乱。本发明还提供了探测和确定病毒和细菌感染的特征的方法。本方法还能够评估体内河体外系统中生物材料的各种附加剂的作用或生理作用。例如，本发明能够评估生理附加剂如药品对细胞或人工培养的组织的数量的影响。
本发明的生物材料成像系统能够进行计算机驱动的控制或自动处理控制，从生物材料样品中获得数据。在这方面，耦接到生物材料成像系统的计算机或处理器包含或连接到存储器或包含生物材料如各种类型的病变细胞的图像的数据库。在这方面，可以进行正常或非正常生物材料的自动设计。生物材料成像系统确保得到给定生物材料样本的图像，并且将该图像与存储器中的图像、如存储器中病变的细胞图像比较。一方面，计算机/处理器进行收集的图像数据和储存的图像数据的比较分析，并且根据分析的结果用公式表示给定的生物材料的身份的确定；对给定的生物材料(正常的/非正常的，癌变的/无癌变的，良性的/恶性的，感染的/无感染的等)进行分类；和/或调节(诊断)。
如果计算机/处理器判定在来自生物材料样本的特定图像和存积的图像(如，病变细胞的图像或相同生物材料样本的图像)之间存在足够的相似性，则保留此图像并可产生与该图像相关的数据。如果计算机/处理器判定在来自生物材料样本的特定图像和存积的病变细胞/特定的生物材料的图像之间不存在足够的相似性，则重新定位生物材料样本并将附加的图像与存储器中的图像比较。可以理解，可以由计算机/处理器采用统计的方法辅助判定在来自生物材料样本的特定图像和存积的生物材料图像之间存在足够的相似性。计算机/处理器可以采用任何合适的关联方法、存储器、操作系统、分析元件和软件/硬件。
参见图17，图中示出了根据本发明一个方面的自动生物材料成像系统1600，该系统能够计算机驱动控制或自动过程控制以获得生物材料样本的数据。结合图1-16所述或所构成的成像系统1602可以用于捕获生物材料1604的图像。成像系统1602耦接到处理器1606和/或计算机，读出由成像系统1602产生的图像并将该图像与数据存储器1608中的各个图像作比较。
处理器1606包括分析元件以进行比较。用在图像处理中的多种算法中的一些包括卷积(多种其它算法的基础)、FFT、DCT、细化(或框架化)、边缘探测和对比度增强。这些通常以软件进行，但为了提高速度也可以采用特殊目的的硬件。FFT(快速付立叶变换)是一种计算一组离散的数据值的付立叶变化的算法。给出一组有限的数据点，例如，是从实部空间信号中提取的周期性样品，则FFT以其频率组份的形式表示该数据。同时，还强调涉及由频率数据重构信号的基本相同的反转。DCT(离散的余弦波形)是一项把波形表述为余弦加权和的技术。有各种为图像处理设计的现存的程序语言，如CELIP(用于图像处理的细胞语言)和VPL(可视编程语言)。
数据存储器1608包含一组或多组预定的图像。图像可以包括各种生物材料的正常图像和/或各种生物材料(病变的、变异的、物理分解的等)的非正常图像。储存在数据存储器1608中的图像提供判断的基础，其判断给定的捕获的图像是否类似于储存的图像。一方面，自动生物材料成像系统1600可以用于判断生物材料样本是正常的还是非正常的。例如，自动的生物材料成像系统1600可以识别生物材料样本中病变细胞如癌细胞的存在，由此进行对认定疾病或状态的诊断。另一方面，自动的生物材料成像系统1600可以通过识别致病生物材料(上述致病细菌)的存在和/或判断指定的生物材料是否被致病实体如细菌感染或判断指定的生物材料是否是不正常(癌变)来诊断以上列出的疾病。
另一方面，自动的生物材料成像系统1600可以用于确定未知起源的生物材料的识别。例如，自动的生物材料成像系统1600可以识别包含碳疽的白粉。自动的生物材料成像系统1600也可以进行生物材料处理，如对血液样品的白细胞或血红细胞计数等。
计算机/处理器1606可以连接到控制伺服电机或其它在物平面内移动生物材料样本的装置的控制器，使得进行远距离/不用手动地成像。即，可以用电机、调节器和/或其它机械装置在物方视场内移动生物材料样本滑块。
另外，因为为了从计算机屏幕、电视和/或闭路监视器观看而优化生物材料检查过程的图像，所以可以进行基于远距和网络的观看和控制。实时成像至少便于迅速诊断、数据采集/产生等中的一项。
另一方面，生物材料成像系统指向人体的一部分(如胳膊上的疾患，角膜上的模糊等)并对其成像。图像可以发送到计算机/处理器(或通过网络，如互联网)，这是发出指令以识别特定类型的病变细胞(储存在存储器中的图像)可能存在。当病变细胞被识别到时，计算机/处理器指示系统去除/摧毁病变细胞，例如采用激光、液氮、切割仪器等。
图18表示根据本发明的高水平机器视觉系统1800。该系统1800包括一个根据本发明主体的成像系统10(图1)。已经对成像系统10做了详细的讨论，为了简明起见，省去对其的进一步讨论。成像系统10可以用于采集涉及产品或过程1810的数据，并向可以调节产品或过程1810的控制器1820提供图像信息，例如关于产品、过程控制、质量控制、测试、检查等。上述的成像系统10以许多常规系统不能达到的粒度提供图像数据的收集。另外，由成像系统10提供的适用的图像数据可以担负产品或过程1810的高效机器视觉检查。例如，通常不能够由很多常规的机器视觉系统探测到的产品微小缺陷可以作为成像系统10收集到的图像数据的结果而被系统1800探测到。控制器1810可以是任何合适的控制器或是结合制造方案而采用的控制系统。控制器1810可以采用收集到的图像数据去排除次品或过程、修正产品过程。接受一项产品或过程等，如同基于机器视觉的控制系统一样。可以理解，系统1800可以用在基于任何合适的机器视觉的环境中，本发明的所有这些应用都落在本权利要求的范围内。
例如，系统1800可以结合半导体的制造而使用，其中器件和/或过程容限对于制造稳定可靠的半导体产品非常重要。因此，产品1810例如可以为半导体芯片，成像系统1800可以用于收集与形成在芯片上的器件有关的数据(如，关键尺寸、厚度、潜在的缺陷、其它物理形态)。控制器1820可以采用收集到的数据排除有各种缺陷的芯片、改进与在芯片上制造器件有关的过程、接受芯片等。
以上描述了本发明的优选方面。当然，本发明不可能描述本发明的每一种可能的组合或方法。本领域的技术人员将会认识到本发明还可以进行各种组合和改变。因此，本发明将包括所有落在本发明实质和范围之内的各种变换、改变和改型。
权利要求
1.一种成像系统，其特征在于，包括具有一个或多个接收体的传感器；和图像转换介质，将一个或多个接收体定标到物方视场。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像转换介质提供k空间滤波，该k空间滤波使与一个或多个接收体相关的间距与物方视场内的有限衍射光斑相关联。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述间距被单元映射到约为物方视场内有限衍射光斑的大小。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像转换介质还包括非球面透镜、多透镜结构、光纤锥、图像导管和全息光学元件中的至少一个。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器还包括与一个或多个接收体有关的M×N像素矩阵，M和N分别代表整数行和列，所述传感器还包括数字传感器、模拟传感器、电荷耦合器件(CCD)传感器、CMOS传感器、电荷注入器件(CID)传感器、阵列传感器、以及线性扫描传感器中的至少一种。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括接受来自传感器的输出的计算机和存储器，所述计算机将至少一项输出储存到所述存储器中，对所述存储器中的输出进行自动分析，并将所述存储器映射到显示器以便能够对图像进行手工分析。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一个照明源，对所述物方视场内的一个或多个非发光实物照明，所述照明源还包括发光二极管、特定波长照明、宽带照明、连续照明、选通脉冲照明、柯勒照明、阿贝照明、相衬照明、暗场照明、亮场照明、顶照明、相干光、非相干光、可见光和非可见光中的至少一种，所述非可见光适于与对非可见光适用的传感器匹配。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述非可见光还包括红外波长和紫外波长中的至少一种。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括相关的应用，所述应用至少包括成像、控制、检查、显微自动分析、生物医学分析、细胞群计数、组织学、冻结部分的分析、细胞学、血液学、病理学、肿瘤学、荧光、干涉、相位分析、生物材料分析、度量颗粒大小的应用、薄膜分析、空气质量监测、空中浮游颗粒的测量、光学缺陷分析、冶金学、半导体检测和分析、自动视觉系统、3-D成像、照相机、复印机、FAX机和医疗系统的应用。
10.一种产生图像的方法，其特征在于，包括确定传感器上相邻像素的间距大小；确定物方视场中可分辨的实物大小；和通过光学介质对间距大小进行定标，以与可分辨的实物大小对应。
11.一种机器视觉系统，其特征在于，包括一个成像系统，用于收集产品或过程的图像数据，包括具有一个或多个接收体的传感器；和至少一个光学装置，把来自物方视场的光导向传感器的一个或多个接收体，至少一个光学装置将接收体的大小映射到与显现在所述物方视场中的有限衍射实物大小；和控制器，接受并利用与产品或过程的制造或控制有关的图像数据。
12.如权利要求11所述的机器视觉系统，其特征在于，被用在基于半导体的制造系统中。
全文摘要
本发明提供了一种成像系统(10)和方法(600)，用于实现光学成像性能。该系统(10)包括具有一个或多个接收体的传感器(20)和图像转换介质(30)，将传感器和接收体定标到物方视场(54)。与传感器(20)相连的计算机(824)、存储器(864)和/或显示器(864)提供涉及接收体的输出的信息的储存和/或显示，从而生成和/或处理图像，其中多个照明源(60)也可结合图像转换介质(30)而被利用。图像转换介质(30)可以构造成k空间滤波器(110)，其使与接收体有关的间距(116)与物方视场(54)内的有限衍射光斑(50)相关联，其中间距(116)可以单位映射成物方视场(54)内有限衍射光斑(50)的大小。
文档编号G02B21/00GK1550039SQ02817180
公开日2004年11月24日 申请日期2002年7月3日 优先权日2001年7月6日
发明者A·G·卡特力奇, A G 卡特力奇, H·法因 申请人:帕朗特研究公司, H·S·阿明, D·B·博尔特尼克, G·图罗齐, 安科研究公司