用于光学成像傅里叶谱仪的光学设备及其操作方法

专利名称：用于光学成像傅里叶谱仪的光学设备及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学成像傅里叶谱仪及其操作方法。
背景技术：
傅里叶转换谱(FTS)为一种长期公认的用于获得物体吸收或反射光谱的方法。在这种方法中，从样品发出的光通过通常为Michelson型的光学干涉仪到达一探测器。在输出端对光度进行测量，同时在干涉仪的一个分路内改变光程的长度。随后，通过由如R.J.Bell(1972)于纽约、在Academic Press，New York发表的教科书“IntroductoryFourier Transform Spectroscopy”中所披露的强度轮廓的逆向傅里叶转换计算得出样品。近来，已由Yuval Garini等人在美国专利US-A-5539517中披露了一种新形式的FTS；这一形式的FTS也在JohnWiley&Sons Inc发表的Chemical Analysis Series，第137卷中、由XueWang和Brian Herman编辑的Fluorescence Imaging Spectroscopy andMicroscopy的第4章，87-124页有所披露。
近来，利用通过Sagnac干涉仪的光线在摄像机(Camera)内呈现出一个场(其可为显微图像)。在记录期间，以这样的方式调节所述干涉仪，即以精确可控制的方式使一系列干涉条纹穿过摄像机的所述场并对其进行记录。在以白光为初始输入信号的情况下，这一线系与牛顿线系相对应。利用该设备，通过一计算机能获得一独立的可用于所得图像组中每一象素的傅里叶转换谱。虽然这一信息在许多应用中具有潜在价值，但是它特别适用于光显微镜中粘附在生物样本上的多层荧光染料的检测。
该现有技术工作良好，但却存在需要两次检测的缺点。第一，在干涉仪中，条纹位置对光学元件相当于光波长级的移动的很小位移都很敏感。这样就造成了Sagnac系统难于对准且在移动时难于保持对准。第二，由于一半输入Sagnac系统的光线会反射回光源这是这种干涉仪的固有特性，因而该系统的传输效率最大仅为50％。本发明提供了在这些方面进行改进的可能性。
Mikrochin.Acta(Wien)1987，III，309-324中的Minami已经披露了采用双折射光学技术，而不是孔阑光源分析中的干涉仪。这里，代替光程长度的物理差异，因为双折射的变化造成了光程差，但是，他缺乏记录一个场中任意图像的能力。
虽然Minami使用了一种CCD摄像机来呈现其分光仪中的条纹系统，但他仅能使用它来记录一维信息；无论是否与条纹系统一致，都不存在一个场的图像。合成干涉图允许由聚光灯聚集在圆孔上的光的光谱质量的分析，但不允许同时由一个场的多级区获得光谱信息，这样，例如只能在场彼此间进行比较。
发明概述根据本发明，在这样的一种设备中完成傅里叶转换谱，其中在偏振装置之间的光程上设置至少一个双折射装置，同时在所述偏振装置前后分别设有图像发生和记录设备，所述图像发生设备在与通过所述双折射装置产生的条纹相同的平面内产生一实像，及用于改变所述双折射装置中的光所经历的光程差的装置。
这样，由于以可控制方式可在整个记录的图像上产生光迟后变化，因而能够形成系统变化，因此通过已知的计算装置，能够通过穿过被记录图像组的元素亮度的变化获得图像记录摄像机中每一元素“象素”的傅里叶谱。
换句话说，利用一双折射装置同时对一个图像的所有区系统地改变光程差来完成FTS，以便通过合并多个图像内的强度值而为每个图像区采集一个独立的干涉图。
本发明包括了这样一个实施例，其中，装配了沃拉斯顿棱镜(Wollaston prism)，石英楔或其它双折射装置，以便使慢方向与机械长轴成一定角度。
可采用具有一个普通图像发生设备和至少一个普通图像记录设备的互补光程；在这种情况下，最好在各个光程中使用这样的双折射装置，其具有与机械长轴成45°的慢方向。在无需使用四分之一波长片或其它辅助光学元件的情况下，其能够允许条纹系统的产生和移动。在双折射装置的记录侧最好使用偏振光束分光器作为偏振器。
本发明还包括一种在成像分光仪内形成傅里叶转换的方法，其包括使从一个场(其可为一实像)发出的光线通过一偏振器以在与光线通过的双折射装置中的条纹相同的平面内形成一实像，且随后通过一第二偏振器到达一图像接收器，可控制地改变所述双折射装置内的光程差，记录所述接收器内与光程差的变化有关的亮度变化，并计算出被记录图像的元素的光谱。
与以干涉仪为基础的现有技术相比，这种总体设计和方法的优点在于其对机械和热应力以及其机械部件的位移错误并不明感，同时其允许从整个场所得的信息分析。例如，在这些具有穿过图像的条纹的实施例中，通过合适地选择双折射元件的楔角和/或尺寸，能够获得理想大小的条纹间距。与干涉仪相比，条纹的方向和间距几乎不受环境影响和镜片偏位的影响。另外，在滑动或螺旋机械中无需高机械精度的情况下，能使条纹移动。在最佳实施例中，在可动双折射光学元件上或附近固定一标记器，例如该标记器可采用线，且其能够以这样的方式移动，即通过摄像机中的图像或通过一些其它形式的传感器，开关或机械装置来指示条纹系统所处的位置。这一标记器能够作为所谓“零级条纹”或条纹图形中心识别的导向件，从而有助于从一系列被记录的图像中计算出光谱。由于Garini等人的现有技术中的条纹位置不能由任意单个光学元件的位置确定，因而这样一个标记器不能任意地被用于现有技术中。
在某些实施例中，还能够使光学效率接近100％。
特定实施例的描述下面，结合附图，通过对实施例的描述将更清楚地理解本发明的其它特点和优点，其中


图1为一简单实施例，其引入了使用一个双折射装置的原理；图2所示为对利用一偏振光束分光器获得的光学传输效率改进的方法；图3为通过使用两个双折射装置和加设另一个偏振光束分光器而将光效率增大至接近100％的方法；图4所示为一实施例，其中加设了四分之一波长的光学元件以允许用于双折射装置的更简便的机械结构；图5所示为一最佳实施例，其中使用了带角度的双折射装置；及图6所示为另一个实施例。
没有必要绘出透镜(包括显微镜透镜)，该透镜用于在由于光线通过而形成的条纹相同的平面内，用于在双折射元件内或附近形成一视场的可见实像，及用于将实像的光学改进形式转送至一个或多个摄像机感光表面，但应认为其存在于所有实施例中。也应认为进入设备的光线的初始状态是未偏折的。
另外，在所有附图和相应说明中，描述了双折射元件并称其为沃拉斯顿棱镜，该沃拉斯顿棱镜为理想形式的棱镜。沃拉斯顿棱镜为一种双折射光学元件，其包括两个双折射棱镜，这两个双折射棱镜象Addison-Wesley所发表的教科书Optics(第二版，1989)中、由Hecht，E披露的那样被粘连在一起。
进入沃拉斯顿棱镜的光线被分为两股不同的偏振部分，但如果光线进入中心线上的任一点，由于双折射效应，这些元件则会进行零相对阻滞(Zero relative retardation)。光沿垂直于上述中心线的光线穿过棱镜时，所述阻滞会增至最大。根据常规的光学实践，这里后一方向是指剪切方向。
在正交偏折棱镜之间的多色光中，沃拉斯顿棱镜的形状应能由等距离的平行条纹横穿过去，所述平行条纹在棱镜中央的最小阻滞区具有一黑线。条纹以与剪切方向成90°的方向延伸，且此处在给定的实施例中，通过以剪切方向移动沃拉斯顿棱镜可移动干涉条纹图形。
但是，在本发明的保护范围中，可采用其它形式的双折射元件来代替沃拉斯顿棱镜。例如，由于造价问题或因为优选非对称条纹图形，可优选一简单的双折射材料楔形体，或一种楔形体和一边缘平行的双折射板的组合体。
可使用洛匈棱镜或某种沃拉斯顿棱镜，在这些实施例中，以例如沿光轴改变条纹位置的方式定位光轴，以允许条纹系统从棱镜表面作很小的位移，以便使棱镜上的一些瑕疵，灰尘颗粒等位于焦点外。但是，实像却能一直形成于与条纹系统相同的平面内。
多种已知的光学双折射装置，包括能够用索莱尔补偿器(SoleilCompensator)来产生一均匀场而不是一条纹图形。就索莱尔补偿器而言，可对双折射材料的楔形体作相对地机械改进，从而当通过沃拉斯顿棱镜在场内产生变化时，能均匀地在整个场产生相同的光迟后变化。
设有一索莱尔型双折射元件的本发明可被认为是一种扩大条纹以充满整个图像的结构。
本发明还包括双折射光电装置的使用，通过利用液晶体，光弹性或其它效应可用电学方式调整这些装置以改变这些装置内的光程差，从而消除了移动这些部件的需要。
在图1所示的最简单的实施例中，物体光线由物区1穿过一透镜2，经一线偏振滤光片3到达位于一沃拉斯顿棱镜附近或内部的像面4。随后，光线通过该棱镜到达作为检偏器(analyser)的一第二线偏振器6。
根据已知的控制通过双折射材料的光线特性的原理，干涉会发生在检偏器6。如果光线从检偏器进入设有一合适透镜8的摄像机，如用电耦合器件制成的机视摄像机(CCD TV camera)的感光目标7，则会在摄像机的感光表面形成于沃拉斯顿棱镜附近或内部的像面4中的实像的继电形式图像。
在这一图像中，一白色条纹应占据沃拉斯顿棱镜的中央区域且在每一侧呈现一系列有色条纹。为了形成这种图形，3和6的偏振方向(如图1中虚线9所示)应平行且与沃拉斯顿棱镜的剪切方向呈45°。由于当沃拉斯顿棱镜5从光程上移去或被非双折射玻璃片替代时，会形成明亮的无条纹图形，因此这种结构最好采用更传统的交叉形式的偏振器。在与所述条纹相同的平面内，这一无条纹图形可被摄像机用作传统的单色记录。
通过沃拉斯顿棱镜沿剪切方向(即沿沃拉斯顿棱镜5的“长轴”-图1所描述的左右方向)的线性位移能完成以条纹位移形成傅里叶分析所需的图像组。
图2描述了一种在图1所示实施例基础上的改进结构，其中，用一偏振光束分光器10代替了检偏器6。
在这种情况下，能使沿图2中纵向、从分光器10发出的光线11产生与检偏器6相似的图像，但由于未含吸收材料的分光器具有优良的偏振特性，因而本实施例所产生的图像具有稍强一些的亮度。从分光器发出且射向图右侧的光线12为光束的中心射线，通过该光束能形成棱镜5的另一图像，且与通过垂直光束形成的条纹图形互补的条纹图形通过该图像。
参照以上图1所描述的状态，在每一侧具有一系列亮条纹的情况下，该图像在沃拉斯顿棱镜5的中央具有暗的条纹。预计在上述垂直和水平发射的光束可由传统的光学装置导至同一摄像机中感光表面的分割区域或其它的独立摄像机。由于分析所需的元素集合中每一元素上的图像均可被用于相同光谱的测定，因此能获得相当于图1中装置最少两倍的亮度。
图1和图2中的设备的共同缺点在于偏振器3会吸收至少一半的入射光。这一缺点可由图3的装置克服，其中，用第一偏振光束分光器20代替偏振器3。
在图3中，中心光线21从第一偏振光束分光器20导出并被水平反射出去。所述分光器的工作结果应使该光线在水平面内偏振。这意味着光线在未由正交平面反射器22破坏其偏振状态的情况下就被反射，且之后光线垂直通过第一沃拉斯顿棱镜23并随后进入一第二偏振光束分光器24，在该处，一部分光线被反射(光线25射向图3的左侧)。由于第一沃拉斯顿棱镜23的存在，其具有以与一“平行”偏振器20和检偏器24的偏振方向成45°的剪切方向，因而该光线产生了一“亮条纹中央”图像。
从分光器20垂直射出的光束26由平面反射器27反射，且随后通过一与第一沃拉斯顿棱镜23具有相同结构和方位的沃拉斯顿棱镜28。该光束29中的一部分通过分光器24并形成与光束25产生的干涉条纹图形相同的图形。这两个图形重叠且信号强度在聚焦在它们上的摄像机中相互加强。
同样，由从分光器24发出并在图中垂直通过的光线30形成的互补干涉条纹图形通过沃拉斯顿棱镜23和28的作用加强。
原则上，由于图3中任意光学元件不会对光线作任何吸收，因此能获得几乎100％的光能。
虽然图3的实施例能近似实现光线传送的最大理论效率，从而能实现分光器的最大可能的灵敏度，但是也存在这样的困难，即必须以精确相等的距离和不同的方向移动两个沃拉斯顿棱镜。
参照图3，要求它们沿其长轴方向(垂直条纹的方向)移动，所述长轴与分光器24的不同面成45°且不平行。这便要求驱动机构具有相当的机械复杂性。
图4所示为在各沃拉斯顿棱镜44和45两侧加设四分之一波长的双折射制动片40、41、42和43来克服这一困难的方法。如图3所示那样，对图4中的分光器20、24和反射器22、27进行标记和定位。对四分之一波长的双折射制动片进行定向，使其晶格晶轴(通常所说的慢和快方向)与分光器24的偏振面成45°。
根据已知的光学原理，四分之一波长的双折射制动片40、42的效果在于能够将两个分光器改为圆形偏振器。用圆偏振光照射每一沃拉斯顿棱镜44和45，且通过每个沃拉斯顿棱镜的光线实际上首先穿过双折射制动片41或43并随后通过分光器24会聚在一圆形检偏器。
通过这一结构，由沃拉斯顿棱镜形成的条纹图形不受沃拉斯顿棱镜方位的约束，从而能通过将沃拉斯顿棱镜设定为图4中沃拉斯顿棱镜44和45所处的位置能够改善图3的图形，在该处两剪切方向相互平行。随后，通过将两沃拉斯顿棱镜安装在一块板上并通过一个机构、以图中箭头46所示的方向同时移动这两个沃拉斯顿棱镜便能容易地形成所要求的位移。之后，条纹平行于分光器24的边缘。
本发明的另一个实施例类似于图4且以相同方式工作，但缺少了四分之一波长的双折射制动片。在这种情况下，应以这样的方式组装可移动的分光器元件，即，使每一元件的慢方向与图4中所示的运动方向成45度。分光器元件最好沿运动方向延伸以便它们的慢方向与其长轴成45度。在这方面，它们不同于目前实际用于偏振显微镜检查法的传统石英楔，因为所述石英楔具有平行于长轴的慢方向。由于缺少了四分之一波长的双折射制动片，因而这一实施例的造价更低且比前边所描述的、图4所示的实施例具有更宽的波长范围。
图5描述了可包括透镜和其它光学元件的方法。一个这样的元件为输入透镜50，该透镜能够在如沃拉斯顿棱镜51、52这样的可移动分光器元件的平面内形成视场的实像。
另一个元件为通过45°反射棱镜53或类似元件的入射光的通道，因此为了实现机械平衡，最好将分光器24垂直设置在分光器20的上方。
另一个特点在于使用了45°反射棱镜54、55或类似元件，以便使从分光器24外表面发出的光束25、30形成平行或接近平行的方向以便它们能进入透镜56，该透镜在摄像机中形成有两个邻近的视场图像，另一个特点在于加设了向场透镜57和58，所述向场透镜具有使透镜50的出射光瞳的两重叠图像变为透镜56的入射光瞳的功能，因此，根据已知的光学实践，能够避免摄像机内图像亮度的偏差和损失。
在图6所示的实施例中，代替两个双折射可动元件，仅设置一个沃拉斯顿棱镜60。在这种情况下，由分光器20分开的光线，例如通过45°偏折棱镜61和62导引，经过同一个沃拉斯顿棱镜60的邻近区域由反射棱镜63、64变为平行或接近平行，所述沃拉斯顿棱镜60可由石英楔或其它类似元件代替。
在图6中，使双折射装置60以垂直于纸面的方向移动并在两个图像内形成相同的条纹位移。这一实施例的优点在于与其它实施例相比，单个双折射装置，如沃拉斯顿棱镜60能更任意、更经济地制造，因为在其它实施例中，两个这样的装置必须匹配达到紧公差以使它们具有相同的楔角、条纹间距和其它特性。
光束通过设置与偏折棱镜61和62相同的45°反射棱镜63、64可在分光器24中汇合，或通过独立的摄像机记录。
本发明还包括这样的实施例，其中，分光器本身为已知的双折射形式，如萨瓦板(Savart plate)，其在无需45°反射棱镜的情况下，能够形成射出光束所需的横向位移。
本发明的其它实施例包括代替普通的四分之一波长片，可采用消色四分之一波长片或菲涅尔菱形板，其优点在于能够增大分光仪可操作的波长范围。
权利要求
1.一种用于傅里叶转换谱的设备，其中，在偏振装置之间的光程上设置至少一个双折射装置，同时在所述偏振装置前后分别设有图像发生和记录设备，所述图像发生设备在与由所述双折射装置产生的条纹相同的平面内产生一实像场，及用于改变所述双折射装置中的光所经历的光程差的装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述双折射装置具有与其机械长轴方向成一定角度的慢方向。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述角度为45°。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于该设备具有互补光程，其具有一个普通图像发生设备和记录互补图像的图像记录设备，或一普通图像记录设备。
5.根据在前权利要求中任一项所述的设备，其特征在于所述偏振器中的至少一个为偏振光束分光器。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于在每一可移动的双折射装置附近设置四分之一波长的双折射制动片。
7.根据在前权利要求中任意一条所述的设备，其特征在于在所述双折射装置上固定有一标记器。
8.一种在成像分光仪内形成傅里叶转换的方法，其包括使从一个场发出的光线通过一偏振器以在与光线通过的双折射装置中的条纹相同的平面内形成一实像场，且随后通过一第二偏振器到达一图像接收器，可控制地改变所述双折射装置内的光程差，记录所述接收器内与光程差的变化相关的亮度变化，并计算出图像记录元素的光谱。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于在所述双折射装置上固定有一标记器且该标记器的位置用于识别零级条纹的位置。
全文摘要
利用双折射装置同时对一个图像的所有区域系统地改变光程差来完成傅里叶转换谱,以便通过合并多个图像内的强度值而为每一图像采集独立的干涉图。镜片可允许光通过量到达100%的理论效率。
文档编号G01J3/447GK1265738SQ9880771
公开日2000年9月6日 申请日期1998年7月27日 优先权日1997年7月29日
发明者威廉·布拉德肖·阿莫斯 申请人:威廉·布拉德肖·阿莫斯