专利名称：被全息捕获三维结构的全息显微术的制作方法
被全息捕获三维结构的全息显微术本申请是申请日为2008年I月25日、申请号为200880003125. 2、发明名称为“用
于光学捕获和材料检查的全息显微系统和方法” 一案的分案申请。交叉參考相关申请
本申请根据35U.S.C. 119(e)，要求2007年I月26日提交的美国申请60/897，784的权益，在此全文引用该申请，供參考。依照国家科学基金(NationalScience Foundation)资助编号 DBI-0629584 和资助编号DMR-0606415的资助，美国政府在本发明中具有确定的权利。本发明针对全息光学捕获系统，该系统使用由计算机建立的全息图所产生的光陷阱，来组织材料，并以三维(3-D)方式应用显微镜光学装置，来检查和分析该材料。更具体地说，是ー种全息视频显微镜系统，它使用实时分辨的3-D微结构的体积像，完成材料组合的分析和检查。
背景技术：
全息光学捕获使用计算机产生的全息图，捕获微米尺度的物体并将其组织成任意的三维配置。在用于检验光学捕获的结构的现有技术中，除常规的两维显微术外，尚没有补充的方法可供使用。对各种应用，诸如，在把全息组织的系统固定在适当位置前，验证这些系统的结构，三维成像是有用的。对互作用地处理及检查三维结构的物体，诸如生物试样，三维成像也是有用的。综合三维成像与全息捕获，看来是直截了当的，因为两种技术都能使用相同的物镜，分别收集和投射激光器的光。但是，常规的三维成像方法，诸如共焦显微木，需要在机械上平移焦平面通过样品。但是，全息阱是相对于焦平面定位的，也一祥需要移动。捕获图形必需平移，以补偿显微镜的机械运动，这样将大大増加复杂性，极大地降低成像速度，及可能弄碎接受检验和分析的样品。
发明内容
数字全息显微术解决现有技术的所有问题，给出实时三维(3-D)成像数据，无需任何机械运动，包含不必平移焦平面通过受分析的样品。同轴全息显微术特殊的可兼容的多样性，用准直激光器代替亮场显微镜中的常规照明器。被物体散射出激光束的光，与入射照明的剰余部分干渉，产生外差散射图形，该外差散射图形被物镜放大并用视频摄像机记录。只要该干涉图形没有被许多光散射弄模糊，那么它就包含有关该散射体的三维配置的全面信息。在得到的视频流中每一幅两维瞬态图，都是对时间分辨体积信息的编码，该时间分辨体积信息能够被直接分析，或数值解码为三维表示。该系统和方法能实现在全息光学处理系统中的数字全息显微术的迅速商业利用，且该系统和方法使用组合的能力，直接评定两种技术的精度并建立任何限制。本发明的各种细节方面在本文后面描述，而本发明的这些和其他改进及特征，则在本文后面详细描述，其中包括下面一段中对附图的说明。
图I表明按照本发明构建的系统；图2A表明，在xy平面中捕获的5个胶体球(标尺为5微米)的常规亮场像；图2B表明图2A绕y轴旋转45°的图形；图2C表明在xy平面中看到的图2B旋转的图形的亮场像；图2D表明在xy平面中看到的相同结构的相干像；而图2E表明，通过该倾斜图形的xz截片的全息再现(圆圈标明所指粒子的坐标)。图3A表明在焦平面上方x=17微米处捕获的单个球的在xy平面中记录的全息照片；图3B表明由图3A再现的散射场的实部；图3C表示用在X=O处的球记录的全息图；图 3D表示散射场的轴向部分，该散射场是使受支配的胶体球，按Az=O. 122pm的微米步长平移通过焦平面而得到的；图3E表示使用常规照明的等价再现；而图3F表明从图3B和图3D得到的轴向强度分布，证实轴向再现的精度；和图4A表示对xy平面中和图4B的zy平面中被遮挡物体的分辨率极限。
具体实施例方式图I画出按照本发明构建的综合系统10的示意表示。系统10以倒置光学显微镜(例如Zeiss Axiovert S100-TV)为基础，配以100XNA I. 4的油浸物镜20。该透镜20既用于投射全息光陷阱，也用于收集捕获的物体的同轴全息像。全息阱最好用工作在532nm波长的倍频ニ极管泵浦固态激光器25(例如Coherent Verdi)驱动，以产生输入激光束30。液晶空间光调制器35 (例如Hamamatsu PAL-SLMX7550)用对需要的捕获图形编码的纯相位全息图，对该光束的波前打上印记。然后，已修改的捕获光束40被中继到物镜20的输入光瞳并被聚焦成光陷阱。捕获光束40最好用调谐到捕获激光器波长的分色镜50，中继到物镜20。其他波长则通过分色镜50，并在CXD摄像机60 (例如NECTI-324AII)上成像。在最可取的实施例中，白炽灯照明器与会聚透镜62的标准组合，被氦氖激光器代替，该氦氖激光器提供5mW的相干光准直光束，空气中的波长是X=632nm。该系统10还包括计算机65，用本领域熟知的常规软件，执行本文给出的所有方程式的计算，以处理检测的像数据和分析这些像数据。计算机65还可以包含任何常规可执行的存储器，诸如ROM、RAM、或其他能存储程序、数据、或其他指令的熟知的存储器，这些指令的执行，能够满足本文描述的分析功能。图2A表明在三维图形中全息捕获的胶体球70的全息成像。这些1.53iim直径的石英球70 (Bangs Labs Lot No. L011031B),被分散于限制在裂孔内的50 ii m厚的水层中，该裂孔是把# I. 5盖波片的边缘密封到清洁的显微镜载玻片表面构成。姆ー球70在分开的点状光学镊子中被捕获，而各个光陷阱在三维中被独立地定位。图2A表示排列在焦平面中的球或粒子70的常规亮场像。以略为位移的捕获位置投射一系列的全息图，使我们能在三维中旋转整个图形，如图2B中所示。随着粒子70离开焦平面的运动，它们的像变得模糊，如在图2C看到那样。要从该像确定最大距离的各粒子70是否存在，确实是困难的。图2D表不相同的视场,但用激光照明。因为粒子散射的激光器的光与输入激光束30未被衍射部分的相干叠加,姆一粒子70在该像中出现。像中的其他特征,是由系统10的光学序列中的表面的反射、折射、和散射而产生的。通过减去视场中没有粒子或没有被捕获的结构所获得的參考像，能够使这些特征减至最小。
在两维实值像，诸如图2A-2E的像中，对足够的信息编码，以至少近似地再现三维复值光场。图2E中的像是ー个例子，表示数值再现的通过粒子70的阵列的竖直断面。这ー点证明，组合全息显微术与全息光学捕获的可行性。该再现与阵列预计的45°倾斜一致，也与粒子70之间已校正的5. 9 距离一致。计划的粒子坐标用叠加在像上的圆圈画出。这一定量的比较证明了用于验证全息组合的全息显微术的实用性。因为诸如图2D的全息像，能够以视频摄像机60的最大帧速率获得，所以全息显微术给出的实时数据采集的好处，优于共焦和去卷积显微术。在最可取的实施例中，能够从瑞利-索莫菲形式体系(Rayleigh-Sommerfeldformalism)的使用，获得非常精确的結果，因为诸如图2D的全息图，是在与光波长可比的尺度上形成的。被在显微镜焦平面上方高度z处的物体散射的场u (r，z)，传播到焦平面，在焦平面上，与激光照明的未衍射部分构成的參考场a(r)干渉。描述物体场沿光轴80传播的瑞利-索莫菲传播函数为
权利要求
1.在进行被光学捕获结构的3D全息显微术的方法中，包含的步骤有提供光学显微镜；产生有输入到该倒置光学显微镜的相关联的成像波长的激光束；产生多个光陷阱，该改进包括使用有纯相位全息图的捕获激光束波前，该纯相位全息图对需要的光学捕获图形编码，且该捕获激光束有相关联的捕获波长；为该倒置光学显微镜提供物镜，该物镜用于投射该多个光陷阱及收集被捕获结构的同轴全息像两者；以及为该被捕获结构的三维全息显微术，向CCD摄像机提供该被捕获结构的像。
2.按照权利要求I的方法，还包含步骤把分色镜插入物镜和C⑶摄像机之间，该分色镜被调谐到捕获激光束的捕获波长。
3.按照权利要求I的方法，其中该像包含重影，该重影能够借助使被捕获结构离开焦平面的平移而减至最小。
4.按照权利要求I的方法，其中该成像激光束由氦氖激光器提供，该氦氖激光器有准直光束输出。
5.按照权利要求I的方法，其中该倒置光学显微镜包含焦平面，且该方法不包含用于进行被捕获结构的三维显微术的机械运动。
6.按照权利要求I的方法，还包含步骤从C⑶摄像机上形成的像中减去参考像，从而消除没有被捕获的结构存在时的变化的背景照明。
7.按照权利要求I的方法，其中被捕获结构的像，包括用于再现三维复值光场的两维实值像。
8.按照权利要求I的方法，包含用瑞利-索莫菲形式体系分析该像的附加步骤。
9.按照权利要求8的方法，其中该瑞利-索莫菲形式体系，包含分析被捕获结构沿倒置光学显微镜光轴的传播。
10.按照权利要求9的方法，其中该被捕获结构在光学显微镜焦平面的上游距离z处引起散射场u (r, z),且该散射场u (r, z)用下式再现
11.按照权利要求I的方法，还包含步骤通过求解下面的方程式，再现该像的3D光场
12.按照权利要求11的方法，其中该光场u(r, z)是从该像的单幅全息瞬态图再现的。
13.按照权利要求12的方法，还包含步骤跟踪被捕获结构的运动。
14.按照权利要求12的方法，其中，该被捕获结构包括多个被遮挡的物体，而该三维像被再现，且在该再现光场中物体全部被分辨。
15.按照权利要求I的方法，还包含步骤从光学显微镜的多个焦平面获取像数据，从而提闻该被捕获结构像的精度。
16.在用于进行被光学捕获结构的三维全息显微术的系统中，包含光学显微镜；用于产生捕获激光束的激光光源；为在捕获激光束上打上印记而提供纯相位全息图的空间光调制器；用于产生成像激光束的激光光源，该改进包括捕获激光束，该捕获激光束有对需要的光捕获图形进行编码的纯相位全息图；与包括倒置显微镜的该光学显微镜相关联的物镜；用于检测由于被捕获结构成像而产生的激光的CCD摄像机，且该CCD摄像机输出像数据；以及用计算机可执行的计算机软件，分析该像数据的计算机。
17.按照权利要求16的系统，其中该激光光源，包括产生相干光的准直光束的激光器。
18.按照权利要求16的系统，还包括置于物镜和C⑶摄像机之间的分色镜。
19.按照权利要求16的系统，其中该计算机软件包括数学形式体系，这些数学形式体系，包含对由CCD摄像机接收的激光束光场u (r, z)的瑞利-索莫菲确定。
20.按照权利要求16的系统，其中该瑞利-索莫菲确定，包括由计算机执行的被嵌入计算机的软件，用于计算
21.一种进行被光学捕获结构的3D全息显微术的方法，包括步骤 提供光学显微镜； 提供光源； 从该光源产生相干光束，且该相干光束有输入到该光学显微镜的相关联的成像波长；产生有捕获激光束的波前的多个光陷阱，该捕获激光束具有纯相位全息图，用于对需要的光学捕获图形编码，而该捕获激光束具有相关联的捕获波长； 为该光学显微镜提供物镜，该物镜既投射该多个光陷阱又收集被捕获的一维结构的同轴全息像； 通过使用该相干光束的照明强度ItlOO的归一化过程，处理该同轴全息像，以获得归一化强度b (r)，从而降低附加赝像到某一附加常数并抑制倍增的赝像，以便输出被处理像；为该被光学捕获结构的三维全息显微术，向CCD摄像机提供该被光学捕获结构的该被处理像。
22.按照权利要求21的方法，其中的b(r)是
23.按照权利要求22的方法，其中b(r)被降低到
24.按照权利要求21的方法，其中该像包含重影，该重影能够借助使该被光学捕获结构离开焦平面的平移而减至最小。
25.按照权利要求21的方法，其中的成像激光束由氦氖激光器提供，该氦氖激光器具有准直光束输出。
26.按照权利要求21的方法，其中该光学显微镜包含焦平面，并且没有机械运动需要用于进行该被光学捕获结构的三维全息显微术。
27.按照权利要求21的方法，还包含步骤从C⑶摄像机上形成的像中减去参考像，从而消除没有该被光学捕获结构存在时的变化的背景照明。
28.按照权利要求21的方法，其中该被光学捕获结构的像，包含用于再现三维复值光场的两维实值像。
29.按照权利要求21的方法，包含用瑞利-索莫菲形式体系分析该被处理像的附加步骤。
30.按照权利要求29的方法，其中该瑞利-索莫菲形式体系，包含分析该被光学捕获结构沿倒置光学显微镜光轴的传播。
31.按照权利要求30的方法，其中该被光学捕获结构在光学显微镜焦平面的上游距离z处引起散射的场u(r, z),且该散射的场u (r, z)由下式再现
32.按照权利要求21的方法，还包含步骤通过求解下面的方程式，再现该像的3D光场 u (r, z)
33.按照权利要求32的方法，其中该光场u(r，z)是从该被处理像的单幅全息瞬态图再现的。
34.按照权利要求33的方法，还包含步骤跟踪该被光学捕获结构的运动。
35.按照权利要求33的方法，其中，该被光学捕获结构包括多个被遮挡的物体，以及该三维像被再现，且该被光学捕获结构在该再现光场中被分辨。
36.按照权利要求21的方法，还包含步骤从该光学显微镜的多个焦平面获取像数据，从而提闻该被光学捕获结构的像的精度。
37.一种用于进行被光学捕获的一维结构的三维全息显微术的系统，包括 倒置光学显微镜； 用于产生捕获激光束的激光光源； 空间光调制器，用于为在捕获激光束上打上印记而提供纯相位全息图； 用于产生成像激光束的激光光源； 与该倒置光学显微镜相关联的物镜； CCD摄像机，用于检测由该被光学捕获的一维结构的成像而产生的激光，并且该CCD摄像机输出像数据； 计算机，用于使用由该计算机执行的计算机软件分析该像数据，该计算机软件包含程序，用于通过使用该相干光束的照明强度ItlOO的归一化过程处理该同轴全息像，以便获得归一化强度b (r)，从而降低附加赝像到某一附加常数并抑制倍增的赝像，以便输出被处理像。
38.按照权利要求37的系统，还包括置于物镜和CXD摄像机之间的分色镜。
39.按照权利要求37的系统，其中该计算机软件包括数学形式体系，这些数学形式体系，包含对CCD摄像机接收的激光束的光场b (r)的瑞利-索莫菲确定。
40.按照权利要求39的系统，其中该瑞利-索莫菲确定，包括由计算机执行的嵌入式计算机软件，用于计算
全文摘要
被全息捕获三维结构的全息显微术。一种用于进行光学捕获的结构的三维全息显微术的方法和系统。该方法和系统使用倒置光学显微镜，使用产生捕获激光束的激光光源，其中该激光束被物镜聚焦成多个光陷阱。该方法和系统还使用成像波长上的准直激光器，照明由光陷阱建立的结构。由光学捕获的结构散射的成像光形成全息图，该全息图由视频摄像机成像并用光学形式体系进行分析，以确定光场，再现3-D像，供分析和评估。
文档编号G03H1/00GK102866494SQ201210351970
公开日2013年1月9日 申请日期2008年1月25日 优先权日2007年1月26日
发明者李相赫, D·G·格瑞尔 申请人:纽约大学