专利名称:用于光学捕获和材料检查的全息显微系统和方法
用于光学捕获和材料检查的全息显微系统和方法 交叉参考相关申请
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，是一种全息 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 术，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，也一样需要移动。捕获图形必需平移，以补偿显微镜的机 械运动，这样将大大增加复杂性，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
[0005]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 射照明的剩余部分干涉，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l表明按照本发明构建的系统；
图2A表明，在w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"平面中看到的图2B旋转的图形的亮场像；图2D表明在w 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 ;cz截片的全息再现(圆圏标明所指粒子的坐标)。
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CCD摄像机60(例 如NECTI-324AI1)上成像。在最可取的实施例中，白织灯照明器与 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5 mW的相干光准直光束，空气中的波长是X=632 nm。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2D表示相同的视场，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，每一粒子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参考像，能够使这些特征减至最小。
对在焦平面上方高度z'处的物体场的Fourier变换的估 算，是通过应用适当的瑞利-索莫菲传播函数，使有效的焦平面平移而 获得的
方程式(9)能够从单幅全息瞬态图/(r),再现受检查样 品中的即时光场的体积表示。图2E中的该像，就是通过被再现的强
度分布lu(r，z)P的断面。
当物体沿光轴相互遮挡，如图4A和4B所示时，分析像 变得更具挑战性。这里，与图2A-2E相同的球70的图形，已被转过 90°,于是，4个球70沿光轴80排成一列。图4A是得到的全息图的 细节，而图4B是沿该结构的竖直平面的全息再现。从图4B中央观察， 所有4个球70已被分辨，哪怕它们相互直接遮挡。第5个球70，没 有被其他球直接遮挡，包含在图中作为参考，且在图4A和4B中在其 他球的右侧可以看到。
图4B最上面的球70，看似比更接近焦平面被捕获的那些 球显著更暗；而图4A和4B通过给出光场的振幅I u(r，z) I而不是强度， 对此作了补偿。但是，参考球70不比它邻近的被遮挡的球更亮，也 不比图2A-2E中任一球70更暗。说得更确切些，更下面的球70起透 镜的作用，收集从上面散射的光，并把光会聚到光轴80。结果是，这 些球70看似比正常的显著更亮，且它们的像发生畸变。方程式(9) 在再现光场时，没有考虑这种多重光散射。
[0030
在解释这样的结果时得到的不确定性，能够通过从多个 焦平面采集像，或通过从多个角度照亮被研究的样品，而不是直接的 同轴照明，可以緩解该不确定性。还可以通过更精确的记录，改善所 得到的结果。我们的全息像中每一像素，包含约6比特有用的信息， 并且没有企图对摄像机的响应进行线性化。摄像机60设在1/2000秒 的快门速度，无论如何，在每次曝光中，这样的速度允许某个粒子的 运动。更宽的动态范围、校准的强度响应、和更快的快门，所有这些 将给出更清晰的、更精确的全息图，从而给出更清楚的三维再现。
[0031
基于这些告诫，图4B的像突显用于三维全息处理的全息 成像的潜在重要性。即使最远距离的粒子70和参考粒子两者，都被 定位在投射到相同高度的光镊子中，但最远距离的粒子70看似沿光 轴相对于参考粒子位移。三维可视性证实被投射的捕获场的结构。对 倾斜小于约80°，表观上的轴向位移是不明显的。由此，表观轴向位
ii移，要么反映三维成像的赝像，要么最可能是粒子70离开它们的设 计配置的真实位移。这是合理的，因为从被投射到更靠近焦平面的阱 来的光，对更深入样品中的被捕获粒子施加力。这种效应由于更靠近 焦平面的被捕获粒子而变得更严重，这些粒子把光偏折到更远的粒子 上，改变它们有效的势能阱。这种效应已经被用在沿线状Bessel光束 捕获的粒子的同轴光学结合中。全息成像为测量这种畸变提供一种手 段，从而为改正这种畸变提供基础。这对诸如光子异质结构的全息组 合的处理过程，至关重要，光子异质结构的全息组合，有赖于对这种 粒子或物体的显微镜的准确放置。
[0032
前面对本发明实施例的描述，是为演示和说明的目的而 给出。不企图穷举或把本发明限制在所公开的精确形式，因为借鉴上 述教导，可以进行修改和变化，或者可以从实施本发明中进行修改和 变化。实施例的选取和描述，是为了解释本发明的原理和它的实际应 用，以便使本领域熟练人员能在各种实施例中，并以认为适合具体应 用的各种修改，利用本发明。
权利要求
1.在进行光学捕获的结构的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
l的方法，还包含步骤把分色镜插入物镜和 CCD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
1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
1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
1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对被捕获结构的三维显微术的机械运动。
6. 按照权利要求
l的方法，还包含步骤从CCD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
l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
1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w(r，z)，且该散射场"(r，z)用下式再现<formula>formula see original document page 3</formula>
11. 按照权利要求
l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i;(r， z):y(/"，z)s|D(r，z)| exp(昧z))-A厂5(《)i/. p(/^>^
12. 按照权利要求
ll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o
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
l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，从而提高该被捕获结构像的精度。
16. 在用于进行光学捕获的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CCD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 y(r， z) s
z〗exp(W(r， z》<formula>formula see original document page 4</formula>
专利摘要
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G21K1/00GKCN101632134SQ200880003125
公开日2010年1月20日 申请日期2008年1月25日
发明者D·G·格瑞尔, 李相赫 申请人:纽约大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan