專利名稱：球面光散射和遠場相位測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及散射測量技術(shù)。具體地，其涉及通過使用半球面和/或球面光散射以及相位測量技術(shù)來同時測量反射或透射的散射波陣面的遠場測量。
背景技術(shù)：
散射儀用于通過測量特定的材料或表面如何在球面(“散射”)輻射中反射或透射光來分析光源和材料特性。如果表面不輻射自己的光，例如LED的情況，則能夠以某個角度將例如激光的光源引導(dǎo)到表面上，以從入射點產(chǎn)生散射光。如果表面是鏡面的，或者相反，表面以單向方式輻射入射光，則所有的光都將沿著單一的光束從表面被引導(dǎo)離開。否則，反射光會被散射并輻射遍及測試表面之上的半球。散射光的科學(xué)與數(shù)學(xué)得到了很好地發(fā)展。例如，見J.C.Stover的書“光散射測量與分析”，McGraw-Hill，NY(1990)。
典型的散射儀包括激光器，其在測試表面上發(fā)出光束；以及單個檢測器，其圍繞照亮的點機械地掃描180度的圓弧。檢測器的視場保持在照亮的點上而不管視角如何。在每個視角處，進行光強度的測量，從而生成散射光的空間分布。掃描弧上的分布取決于測試表面的特性，包括材料的類型、表面粗糙度、反射率、顏色、表面結(jié)構(gòu)、表面下?lián)p傷以及其他。
掃描單個的檢測器極大地限制了測量掃描例如整個半球的大區(qū)域的能力，以及測量強度的大動態(tài)范圍的能力。此外，掃描整個半球占用很多時間。這樣一來，用單個的檢測器測量測試表面上的許多點上的散射就變得十分不切實際。用這種方法在多個測量位置測量動態(tài)事件同樣是不可能的。
為了克服這些限制，使用了在更大的半球區(qū)域上分布的具有單個檢測元件的多個檢測器。例如，沿著弧放置了有限數(shù)量的檢測器(10到120個檢測器)，其中，所述弧中心為測量點。當(dāng)散射場(或如在這里規(guī)定的遠場圖形)均勻時，這種方法執(zhí)行順利，但是當(dāng)遠場圖形是隨機的或者具有高頻成份時，這種方法就無法工作了。
另一種現(xiàn)有技術(shù)方法是，通過半透明的球頂中的孔將激光束照射到位于圓頂中心的測試樣品上。來自測試樣品的散射光照亮了內(nèi)部圓頂表面，因為所述圓頂是半透明的，所以這允許使用攝像機從圓頂?shù)耐獠勘砻鎭碛^察散射光。這個方法對于一些基本的應(yīng)用工作得令人滿意。然而，光同樣能夠在圓頂?shù)膬?nèi)部和外部表面之間橫向地散射，導(dǎo)致產(chǎn)生惡化的測量結(jié)果。這種方法同樣無法慮及在從垂直于攝像機的表面的方向接近90度的角(亦即半球面圓頂?shù)倪吘?處散射的光的簡單測量。
在美國專利No.5,313,542、No.5,475,617、No.5,615,294、No.5,640,246和No.5,729,640中描述了用于半球面散射光測量的另一種方法。這種方法基于使用光纖束以在三維空間中測量半球的一部分。通過將球面表面分割到光纖束的逐漸變細的部分上來實現(xiàn)這一點。光纖束的相對末端逐漸變細到十分小的尺寸，以連接到攝像機。這種方法允許在部分半球上的非常高的分辨率測量。然而，它的主要缺點是較低的動態(tài)范圍、光纖束的費用、光通過光纖傳播時的相位信息的損失以及為了完全半球面測量的機械掃描需要。
由此，所有的這些現(xiàn)有技術(shù)方法具有共同的遠場覆蓋度和角度測量分辨率的限制。另外，它們不能測量相位。因此，能夠用單個的裝置實時測量球面散射和相位的系統(tǒng)將是本領(lǐng)域非常希望的，并且將提供空前的醫(yī)學(xué)診斷能力。本發(fā)明提供了現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的許多問題的解決辦法，并且能夠以以前不可能的速度獲取顯著更多的測量數(shù)據(jù)。此外，能夠同時獲取來自散射光的球面與相位信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明使用獨特的透鏡設(shè)計，以將從樣品光源發(fā)出的光映射到適合于測量強度和相位的一組測量模塊上。結(jié)果，本發(fā)明使得可以在半球或全球上高分辨率地測量從位于球中心的光源收集的散射或輻射光。所得到的測量結(jié)果產(chǎn)生了圖像，其類似于通過人眼從360度的有利位置觀察光源在三維空間中看到的那樣，所有的都是高分辨率而且是同時的。另外，還能夠同時測量相位，從而提供了能夠方便地使用的數(shù)據(jù)，以揭示單獨使用強度測量結(jié)果所無法得到的重要的材料特性。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，優(yōu)選實施例包括遠場測量裝置，其具有多個成像透鏡，所述成像透鏡被切割成五角形的形狀并在網(wǎng)格球面結(jié)構(gòu)中布置。五角形的形狀允許透鏡在網(wǎng)格圓頂圖形中配合，在所述網(wǎng)格圓頂圖形中，所有透鏡都具有基本上聚焦到將要被測量的光源上的共同的視場。這種透鏡配置允許收集從點光源徑向地輻射的所有光，從而提供超過現(xiàn)有技術(shù)的重要的優(yōu)點，現(xiàn)有技術(shù)使用了會在測量區(qū)域上產(chǎn)生死區(qū)的圓形收集光學(xué)器件。其他非圓形的透鏡也是可以的，但是已確定，五角形的形狀給出了圖像質(zhì)量、透鏡數(shù)目、圓頂尺寸以及遠場測量覆蓋度的最優(yōu)平衡。所有的透鏡都具有共同的視場，其中，如果在基本為半球面或球面的結(jié)構(gòu)中布置透鏡，則所述視場為相應(yīng)網(wǎng)格圓頂?shù)闹行摹?br> 為了減少創(chuàng)建球面結(jié)構(gòu)所需的透鏡數(shù)目，每個透鏡都必須非常大，這導(dǎo)致嚴重的波陣面象差象差。這樣一來，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，每個五角形的成像透鏡由設(shè)計用來減少波陣面象差的多元件光學(xué)器件組成。例如，這樣的光學(xué)器件可以由典型的變焦透鏡組成，其中，第一子元件是非球面的五角形透鏡。如在本領(lǐng)域中很好理解的那樣，非球面設(shè)計允許散射光的大入射角，同時使校正象差所需的子透鏡的數(shù)目最小化。模擬非球面設(shè)計的菲涅耳透鏡能夠代替非球面透鏡使用。菲涅耳透鏡產(chǎn)生較低質(zhì)量的圖像，但是它們實質(zhì)上更薄、更輕。因此，取決于實際應(yīng)用的需要，或者非球面的或者菲涅耳透鏡能夠用于實施本發(fā)明。在五角形透鏡后面，附加的子透鏡用于校準和使波陣面平直，為將波陣面映射到測量模塊內(nèi)部的攝像機中做準備。在優(yōu)選實施例中，每個模塊都包括非球面五角形透鏡、準直透鏡、視場致平器透鏡和模塊成像透鏡。單元件五角形透鏡能夠用于較少需求的應(yīng)用。
在每個多元件透鏡后面使用例如攝像機的測量模塊。根據(jù)本發(fā)明的特的實施例，測量模塊包括Shack-Hartman波陣面?zhèn)鞲衅?，從而能夠測量所檢測的波陣面的強度和相位。在另一個實施例中，測量模塊為干涉儀，其需要進入的波陣面關(guān)于外部的參考波陣面有相移。這個實施例的優(yōu)選版本在每個測量模塊中包括點衍射干涉儀。點衍射干涉儀從遠場波陣面中創(chuàng)建其自己的參考光束，這樣就能夠測量強度和相位。同樣能夠使用其他類型的干涉儀，包括錯位干涉儀。
每個測量模塊都以傳統(tǒng)的方式和計算機有接口，所述計算機處理信息并且優(yōu)選地還顯示結(jié)果。為了獲取同時發(fā)生的數(shù)據(jù)，通過電子同步每個測量模塊來俘獲動態(tài)事件。由于信息量大，可以用視頻或DVD記錄器實時記錄數(shù)據(jù)，以便稍后分析。同樣希望神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會扮演處理從本發(fā)明的測量模塊中獲取的原始數(shù)據(jù)的主角。所得到的數(shù)據(jù)能夠用于表征許多材料和物質(zhì)，包括光滑的和粗糙表面、半導(dǎo)體、空中傳播的粒子、生物材料、氣體、液體以及分子結(jié)構(gòu)。
從隨后的說明書中的描述以及附加的權(quán)利要求中具體指出的新穎特征中，本發(fā)明的其他不同的目的和優(yōu)點將變得清楚。然而，這樣的附圖和描述僅僅披露了一些可以實施本發(fā)明的不同方式。


圖1A是內(nèi)部覆蓋有根據(jù)本發(fā)明的測量模塊的基本為半球面圓頂?shù)氖疽庑越孛鎮(zhèn)纫晥D；圖1B是圖1A的圓頂?shù)氖疽庑皂斠晥D；圖2A是顯示測量模塊上映射的遠場光的放大的示意圖；圖2B是Shack-Hartman波陣面?zhèn)鞲衅魃嫌成涞倪h場光的放大的示意圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的五角形透鏡的側(cè)視圖；圖3B是圖3A的五角形透鏡的正視圖；圖4A是由如圖3B中顯示的那樣的六個五角形透鏡組成的基本為半球面圓頂?shù)耐敢晥D；圖4B是圖4A的結(jié)構(gòu)的頂視圖；圖5是具有多元件透鏡和攝像機的測量模塊的示意圖；圖6A是圖1A的圓頂?shù)囊晥D，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的射入圓頂以進行映射的光的散射，以及包括使用干涉儀來測量相位的裝置。
圖6B顯示了圖6A的干涉測量裝置的操作；圖6C是設(shè)計用來提供共線測試和以不同的速率會聚的參考光束的壓電干涉測量裝置的示意圖；圖6D是設(shè)計用來提供共線測試和以不同的速率會聚的參考光束的偏振干涉測量裝置的示意圖；圖7A是適合于實施本發(fā)明的點衍射干涉儀的示意圖，其中，晶體延遲器用于相移；圖7B是具有同時相移的另一種點衍射干涉儀的示意圖；圖7C顯示了用于從測試波陣面中生成參考波陣面的點衍射干涉儀元件；圖8A是包括本發(fā)明的多個測量模塊的半球面結(jié)構(gòu)的透視圖；
圖8B是圖8A的結(jié)構(gòu)的底視圖，其顯示了本發(fā)明的五角形透鏡的半球面網(wǎng)格構(gòu)造；圖9A示意性地顯示了用于將測量模塊中的攝像機連接到圖像處理器和計算機的構(gòu)造；圖9B示意性地顯示了用于將測量模塊中的攝像機連接到錄像機的構(gòu)造。
具體實施例方式
本發(fā)明在于非球面透鏡系統(tǒng)和鄰近的構(gòu)造中布置的光檢測器的相應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)合，以便同時俘獲并測量從樣品上的點光源散射的所有的光。此外，借助于適當(dāng)?shù)臋z測器，能夠類似地測量散射光的相位分布。
如在這里使用的那樣，術(shù)語“遠場圖形”和“散射光”可交換地用于表示從點光源以輻射模式輻射的光。術(shù)語“球面的”和“半球面的”用于指示這樣的幾何形狀和具有球面幾何形狀的部分(亦即球面上圖形的幾何形狀)。“赤道平面”被規(guī)定為和具有這樣的球面幾何形狀的結(jié)構(gòu)的赤道共面的平面。最后，術(shù)語“網(wǎng)格”用于指示具有相互連接的平面表面的多面體結(jié)構(gòu)，所述平面表面還優(yōu)選地但是不是必須地被配置，以便每個表面的側(cè)邊規(guī)定例如半球面的給定表面的點之間的最短路線。
參考附圖，圖1A和1B顯示了分別在截面圖和頂視圖中顯示的基本為半球面構(gòu)造10中的本發(fā)明。測量模塊12和相應(yīng)的透鏡14連接到半球面支撐結(jié)構(gòu)16，以便提供半球面表面的幾乎完全覆蓋。盡管優(yōu)選五角形透鏡和相應(yīng)的測量模塊來實施本發(fā)明，如上所述，但是為了顯示起見，在這些附圖中使用小方形元件。事實上，可以清楚地理解，結(jié)構(gòu)16的球面曲率會要求每個模塊12和透鏡14離開真正的方形幾何形狀，以便無間隙地覆蓋結(jié)構(gòu)16。圖1A的這種設(shè)計需要很大數(shù)量的透鏡14，這會產(chǎn)生高分辨率的測量結(jié)果，但卻以高昂的成本為代價，因為需要相應(yīng)很大數(shù)量的模塊12。
例如由激光源(未顯示)產(chǎn)生的光束L，能夠以希望的角度α通過半球面結(jié)構(gòu)16中的孔18向測試樣品S投射。角度α能夠關(guān)于樣品表面的法線在0度和90度之間。同樣能夠從本發(fā)明的半球面內(nèi)部的小光源生成光束L。如果樣品表面S是部分鏡面的，則部分光L被反射離開表面并通過半球面結(jié)構(gòu)16中的第二孔20向外導(dǎo)出。為了確保反射光束通過孔20并向外投射，提供手動或電動平臺22(在圖1B中示意性地顯示)以適當(dāng)?shù)馗淖兘嵌圈?。這種特征對于那些測量很重要，其中，在所述測量中，不希望光束L從透鏡14反射離開返回朝向樣品表面S?？蛇x擇地，沿著位于光束L的反射平面中的線24切入到半球面結(jié)構(gòu)16中的狹長縫隙，能夠用于允許光束L以任意希望的角度進入并且仍然確保其從結(jié)構(gòu)中離開。如果樣品表面S是非鏡面的，則孔20和平臺是可選擇的，因為所有的光L都在半球面結(jié)構(gòu)內(nèi)部被散射。在這樣的情況下，可以取代孔20使用另外的測量模塊。
在任一情況下，光束L以朝向透鏡14的系統(tǒng)的徑向方式散射離開樣品表面S，如圖1A中的箭頭26所顯示的那樣。根據(jù)本發(fā)明，所有的這些散射光被同時收集，以使用透鏡14的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析。如圖2A和2B所示，從樣品表面輻射的遠場圖形的部分28通過每個透鏡14。透鏡14的目的是要校準并使球面遠場圖形28平直。然后將所得到的處理的遠場圖形或波陣面30引導(dǎo)到測量模塊12中，所述測量模塊12能夠是用于測量強度的攝像機，或者是用于測量強度和相位的干涉儀。圖12B以用于測量強度和相位的Shack-Hartman波陣面?zhèn)鞲衅鞯男问斤@示了模塊12。
透鏡14可以是單或多元件透鏡。如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易地認識到的那樣，引導(dǎo)到測量模塊12的波陣面32的質(zhì)量將取決于透鏡14。如果透鏡小，則其能夠作為單元件透鏡實現(xiàn)，以得到高質(zhì)量的波陣面，但是需要許多測量模塊，這會是昂貴的和不切實際的。如果透鏡14大，則需要更少的測量模塊，但是因為在透鏡14的邊緣散射光的大入射角β而難以得到高的波陣面質(zhì)量。同樣，事實上所有的傳統(tǒng)透鏡都是圓形的。因此，如果在棋盤圖形中并排地放置傳統(tǒng)的圓形透鏡，則許多錯過的間隙剩下，這導(dǎo)致丟失信息。因此，優(yōu)選地使用這樣的透鏡設(shè)計來實現(xiàn)本發(fā)明，所述透鏡設(shè)計被選擇用來達到透鏡14的數(shù)目、透鏡形狀的復(fù)雜性和波陣面32的質(zhì)量之間的明智的平衡。
圖3A和3B分別在側(cè)視圖和正視圖中顯示了根據(jù)本發(fā)明的五角形透鏡40。通過圍繞透鏡制造5個精確切口44，將圓形透鏡42切割成五角形的形狀。在五角形中，邊之間的角度γ(圖3B)為108度。在優(yōu)選實施例中，每個切口44關(guān)于五角形表面46的角度δ(圖3A)被調(diào)整為大約58.3度，以慮及容易制造和多個透鏡一起的配合。使用6個五角形透鏡40，就能夠構(gòu)造網(wǎng)格圓頂50，如圖4A和4B所示。取決于包括透鏡40的五角形表面46的圓54的直徑52，能夠生成不同尺寸的球頂。在優(yōu)選實施例中，透鏡40具有78.94mm的直徑52以及40.43mm的五角形邊56。這些尺寸產(chǎn)生了直徑大約264.8mm的圓頂50(圖4B)。
盡管透鏡40能夠是各種類型的，但是本發(fā)明的優(yōu)選實施例使用了非球面設(shè)計。這允許透鏡40非常大并且仍然測量以大角度β(見圖2A)入射的散射光。如在本領(lǐng)域中很好理解的那樣，透鏡40的表面58和五角形表面46的確切形狀是非球面透鏡的設(shè)計中的關(guān)鍵因素，因為這兩個表面的質(zhì)量支配著透鏡的全部性能和最后的遠場測量的質(zhì)量。
典型的非球面透鏡設(shè)計由下式支配曲率＝c＝1/R，以及SAG＝Z＝(c×r2)/(1+(1-(1+k)c2r2)1/2)+a2r2+a4r4+a6r6+a8r8+…+anrn其中，c為曲率，R為半徑，Z為弧矢高度，an為常數(shù)，而rn為徑向值。取決于可接受的波陣面質(zhì)量，非球面表面46和58能夠是不同的形狀。在優(yōu)選實施例中，表面46是平坦的，并且用于非球面表面58的等式參數(shù)如下R＝35.1657k＝-0.9532a2＝0a4＝1.2065E-6a6＝1.7981E-10a8＝4.86192E-14a10＝-2.9165E-18使用這些等式參數(shù)，非球面透鏡40的高度60為33mm。
非球面透鏡的另一個優(yōu)點在于，其使得顯著減少多元件透鏡設(shè)計中所需的子元件的數(shù)目。例如，如圖5所示，多元件透鏡62能夠利用子元件透鏡以減少非球面透鏡40引入到遠場圖形中的象差。這很重要，因為其使得可以最小化最后的遠場測量結(jié)果中的誤差。存在能夠執(zhí)行這個任務(wù)的各種透鏡子元件。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，使用了3個附加的透鏡。如圖5所示，使用了準直儀64、視場致平器66和成像透鏡68。成像透鏡68自己同樣可以是多元件透鏡。這樣一來，遠場圖形28會進入透鏡40，并在到達測量模塊70之前通過透鏡64、66和68傳播。模塊70能夠是用于強度測量的攝像機、用于相位和強度測量的干涉儀或用于相位和強度測量的Shack-Hartman波陣面?zhèn)鞲衅?。測量半球面上的遠場圖形的相位和強度兩者的能力，表明了散射測量技術(shù)領(lǐng)域中的重要進步。
這樣一來，除了測量強度之外(由圖2A中的波陣面30表示)，同樣能夠執(zhí)行本發(fā)明以測量波陣面的相位(由圖2A中的波陣面32表示)。這可以通過使用干涉儀來實現(xiàn)，如圖2A的模塊12所示，或者可以通過使用Shack-Hartman傳感器74來實現(xiàn)，如圖2B所示。如該圖所示，Shack-Hartman傳感器使用微透鏡陣列76將校準的光30聚焦到攝像機78上。透鏡14是可選擇的，并且用于將遠場圖形28校準到微透鏡陣列76上。通常，各個微透鏡映像N×N個攝像機象素。這樣一來，攝像機象素的這個網(wǎng)格中的聚焦的點80的確切的象素位置就能夠用于確定相位。為了實現(xiàn)本發(fā)明，優(yōu)選每微透鏡15×15攝像機象素。注意Shack-Hartman傳感器的使用能夠從圖1A中顯示的反射光束L’和散射光26兩者中雙重獲取相位和強度信息。
如圖6A和6B所示，使用建立以影響進入本發(fā)明的半球面圓頂?shù)妮斎牍獾母缮鏈y量技術(shù)同樣能夠測量相位。相對寬的會聚參考光束R和相對窄的測試光束T一起被分別投射到拋光的參考表面M和較小的上置的測試樣品S上。為了本披露的目的，認為表面M和S基本上是同延的。這樣一來，兩個光束R、T在區(qū)域82中就產(chǎn)生了干涉圖形，其中，在所述區(qū)域82中，它們在從測試和參考表面反射之后重疊，并且干涉測量傳感器84可以映射并測量圖形。通過關(guān)于測試光束T短暫相移參考光束R，提供了如傳統(tǒng)的相位分析所需的一系列干涉圖。例如，圖6C和6D顯示了適合于產(chǎn)生并相移參考和測試光束的兩種方法，所述參考和測試光束用于照亮圖1A的散射儀中的樣品表面。
圖6C的相移裝置使用了傳統(tǒng)的壓電元件86。通過非偏振光束分離器88將會聚的激光束L(在圖中未顯示光源)分離成測試光束T和參考光束R。測試光束T由通過分離器的原始光束L組成，并且被引導(dǎo)向測試樣品S(見圖6B)。通過反射光束L離開分離器表面90而朝向凸面鏡92來產(chǎn)生參考光束R，所述凸面鏡92將光反射回來，通過光束分離器并到達有效地連接到壓電元件86的鏡面94上。凸面鏡92用于減少激光束L的會聚率，以便所得到的參考光束R在測試樣品S處大于測試光束T(如圖6B所示)。光R被鏡面94反射，和穿過光束分離器88的測試光束T重組，然后通過向連接到鏡面94的壓電元件86施加電壓被相移。鏡面92的凸曲率提供了參考光束R在參考表面M上照耀所需的減少的會聚，如圖6B所示。這種獨特的設(shè)計允許光滑的參考表面M在測試光束T和參考光束R兩者的相同光路中被放置到測試樣品S的下面。使參考光束R更大，以確保其從參考鏡面M的反射。
通過使參考和測試光束正交偏振，同樣能夠以固態(tài)模式進行相移，如圖6D所示。偏振光束分離器96用于將進入的光束L分離成線性正交偏振的測試光束T和參考光束R。四分之一波片98用于當(dāng)光束分別朝向鏡面100和102傳播時沿著每個光束的路徑將線性偏振光轉(zhuǎn)換成圓形偏振光。當(dāng)反射的光束從這些鏡面返回傳播通過它們各自的波片時，它們被轉(zhuǎn)換回線性偏振光，所述線性偏振光關(guān)于它們最初的線性偏振旋轉(zhuǎn)90度，以便分離器96可以將這兩個光束適當(dāng)?shù)匾驑悠纺繕?biāo)。然后參考表面M和測試表面S反射重組的光束，如圖6B所示。然后在干涉測量傳感器84中使用偏振相移干涉儀，以用傳統(tǒng)的方式將兩個光束轉(zhuǎn)換成用于分析的三個或更多的相移干涉圖。
使用具有圖6A的散射儀的任一干涉測量方法，有意識地將反射的光束T’、R’傳播到圓頂?shù)耐饷娴竭_干涉測量傳感器84，以便最小化會導(dǎo)致測量誤差的從傳感器返回到表面M的散射光的影響。圍繞圓頂?shù)哪K12是攝像機而模塊84是干涉儀的事實限制了圖6A的方法。這樣一來，就不能在整個遠場圖形上進行相位測量。此外，將測試表面S和參考表面M放置在同樣的位置對于許多應(yīng)用是不切實際的。機械壓電裝置的使用由于振動、環(huán)境變化和測試樣品隨時間的變化同樣引入了限制。類似地，圖6D的干涉測量方法假定，不會由于表面S和M的散射性質(zhì)而隨意改變光束R和T的偏振狀態(tài)。對多種表面和材料是不能進行這種假定的。另外，如果樣品目標(biāo)S是自發(fā)光的光源，則這兩種干涉測量方法都不能工作。最后，盡管圖2B的Shack-Hartman方法具有較少的這些限制，但是其遭受比干涉測量方法更低的角度測量分辨率。
由于這些限制，優(yōu)選點衍射干涉測量方法，如圖7A和7B中示意性地顯示的那樣。點衍射干涉儀從測試波陣面T生成它自己的參考波陣面R，如圖7C所示。測試波陣面T通過具有針孔112的四分之一波片110。通過波片110的波陣面T的部分T’具有旋轉(zhuǎn)90度的偏振。通過針孔112的波陣面T的部分被轉(zhuǎn)換成球面波陣面R，同時保持其原始的偏振狀態(tài)。這樣一來，兩個改變的波陣面T’和R就創(chuàng)建了干涉圖形，其中，能夠處理所述干涉圖形以恢復(fù)光束T的原始測試遠場相位圖形。
能夠使用兩種類型的點衍射干涉儀。圖7A中顯示的干涉儀120使用晶體延遲器122和線性偏振器124來關(guān)于測試波陣面T’相移參考波陣面R。所得到的相移干涉圖像被映射到攝像機126上。圖7B的干涉儀130使用基于偏振的同步相移模塊132來來執(zhí)行同樣的功能。在兩個干涉儀120和130中，透鏡134、136、138、和140用于正確地將波陣面映射到測量模塊126和132。
圖8A和8B顯示了具有6個測量端口152的根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的圓頂結(jié)構(gòu)150。在優(yōu)選實施例中，每個端口具有(圖5中顯示的類型62的)多元件透鏡和(圖7B中顯示的類型130的)干涉測量模塊。為了簡化顯示，只顯示了具有完整的透鏡62和測量模塊130的一個端口152。在圖8B中顯示的圓頂150的底視圖中可見六個五角形非球面透鏡40。注意能夠組合圓頂150的兩個鏡面復(fù)制品以創(chuàng)建用于在三維空間中的全360度范圍上測量遠場圖形的完整球面。當(dāng)測試樣品S是能透射的，或者當(dāng)其在全球面上輻射光時，優(yōu)選本發(fā)明的這個實施例。否則，只需一個圓頂150來實施散射測量技術(shù)，如本發(fā)明教導(dǎo)的那樣。
測量全球面的強度和相位信息的優(yōu)點包括測量來自半透明材料的完整的三維輻射光的能力，所述半透明材料用于諸如DNA分析、生物物質(zhì)、聚合體、塑料等等之類的應(yīng)用。進而，能夠?qū)崟r進行所有的測量以監(jiān)視動態(tài)事件。
不考慮具體的透鏡設(shè)計，能夠使用不同的方法將測量模塊安裝到球面結(jié)構(gòu)中。例如，參考圖2A的模塊，球面結(jié)構(gòu)中的孔可以用于在每個孔中安裝模塊12。可選擇地，玻璃半球面或球面結(jié)構(gòu)能夠用作模具，用于放置并聯(lián)結(jié)透鏡14和傳感器模塊12。在放置透鏡之后，可以去除也可以不去除模具。透鏡能夠具有各種形狀。然而，當(dāng)透鏡14在這個設(shè)計中是單元件透鏡時，簡單的解決辦法是具有雙凸透鏡，使得后面的曲率匹配球面，而前面的曲率設(shè)計用來校準從球面中心輻射的光。
另外，當(dāng)透鏡14由單元件透鏡組成時，優(yōu)選的方法是在半球面或球面的形狀中使用單個整體的微透鏡陣列。這樣的結(jié)構(gòu)可以是適合于透鏡陣列的玻璃、塑料或其他材料。在所有的情況下都可以在透鏡表面上使用抗反射涂層。在所有的情況下測量系統(tǒng)都可以用于測量強度和/或相位。
由此，已顯示本發(fā)明提供一種適合于在整個球面上測量散射光的遠場圖形的裝置。另外，該裝置能夠以散射場的可接受的畸變在半球面和球面構(gòu)造中無任何間隙(盲點)地高分辨率地測量這樣的散射光。最后，可以在整個球面上測量遠場圖形中的光的強度和相位。
如圖9A中示意性地顯示的那樣，來自檢測器模塊12或78(見圖2A和2B)內(nèi)部的攝像機的測量數(shù)據(jù)，被轉(zhuǎn)換成電信號160，并被發(fā)送到傳統(tǒng)計算機164中的處理器162，用于干涉測量分析?？蛇x擇地，如圖9B所示，能夠?qū)㈦娦盘?60發(fā)送到視頻或DVD記錄器166。可以同步模塊12和78內(nèi)部的攝像機，以同時觀察同樣的事件。這種特征表明了當(dāng)測量動態(tài)事件時的重要優(yōu)點，并且是操作的優(yōu)選方式。多個攝像機的另一個優(yōu)點是這樣的事實每個攝像機能夠具有其自己單獨的自動快門和曝光設(shè)置。這允許同時獲取(反射的光束附近的)高強度光和光散射最小的地方的低能級光。
同樣重要地，從圖1A能夠看出，能夠控制產(chǎn)生光束L的光源的功率，以形成要被測量的散射光的明暗區(qū)的廣闊范圍?？梢越档凸庠吹墓β?，以允許本發(fā)明的模塊觀察散射光的明區(qū)，然后，能夠增加功率，以允許模塊測量散射光的較暗區(qū)。另一個重要的優(yōu)點是商業(yè)CCD和CMOS攝像機正變得更小并且更便宜。因此，低成本CMOS攝像機的使用允許適合于測量整個球面圖形的相對便宜的測量模塊的構(gòu)造。另外，可以使用具有內(nèi)建的象素處理器的CMOS攝像機，所述象素處理器允許單獨的象素當(dāng)它們變得飽和時被清除。這允許鄰近的象素保持不受潛在的高光溢出(blooming)問題的影響。
單個的圖像獲取裝置162(圖9A)同樣是可用的，其能夠從多個檢測器模塊同時獲取視頻信號。如在圖8B中能夠看到的那樣，存在許多的測量模塊信號要處理；因此，盡可能迅速地處理它們是有利的。這能夠通過以下方式進行對每個測量模塊都具有單個的處理器，或者，將每個處理模塊裝進多路復(fù)用器用于連續(xù)處理。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，六個測量模塊用于半球面覆蓋，而12個用于球面覆蓋。因此，優(yōu)選并行的獲取能力。
可以預(yù)料，借助于彩色攝像機和白光源，以及借助于彩色攝像機和多重激光，可以從本發(fā)明獲得用于多光譜散射光成像的進一步的改進和優(yōu)點。在Shack-Hartman方式中，非相干光源能夠用于測量光散射強度和相位。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解，本發(fā)明的前述示范實施例為同樣被認為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的眾多替換物和修改提供了基礎(chǔ)。例如，檢測器模塊12和透鏡14能夠用包括光檢測器的單個的半球面或球面表面替換。半球面或球面表面能夠由柔性材料組成，并在材料上嵌入或印刷柔性攝像機電路。慮及在散射場的某些區(qū)域只測量強度而在同樣散射場的其他部分測量強度和相位兩者，能夠在同樣的半球面或球面結(jié)構(gòu)中使用僅測量相位模塊和僅測量強度模塊的聯(lián)合。
由此，盡管本發(fā)明在這里已顯示并描述了被認為是最實用的和優(yōu)選的實施例，但是可以認識到，本領(lǐng)域技術(shù)人員由此出發(fā)能夠進行更改。因此，本發(fā)明不是限于披露的細節(jié)，而是根據(jù)權(quán)利要求的全部范圍包含任何以及全部等價的設(shè)備和方法。
權(quán)利要求
1.一種用于測量從樣品表面上的點光源傳播的光的裝置，該裝置包括平臺，用于保持樣品表面；多個多象素傳感器，用于測量從樣品表面上的所述點光源徑向傳播的部分光的強度值；以及光學(xué)系統(tǒng)，用于使所述部分光的預(yù)定部分對準所述多個多象素傳感器中的一個，以便所述多個多象素傳感器中的所述一個中的相應(yīng)的一組象素接收部分光的每個所述部分。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述光學(xué)系統(tǒng)包括非球面透鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在球面幾何形狀的支撐結(jié)構(gòu)上分布所述多個多象素傳感器，并且在支撐結(jié)構(gòu)的赤道平面上放置所述樣品表面。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其進一步包括測試光源，所述測試光源用于以預(yù)定的入射角用測試光束照射樣品表面，以產(chǎn)生從樣品表面上的所述點光源傳播的所述光。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其進一步包括參考光源，用于照亮參考表面，以及干涉儀，用于測量由從所述點光源傳播的光和所述參考光源產(chǎn)生的參考光束之間的干涉導(dǎo)致的多個干涉圖。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述參考表面和所述樣品表面的一部分基本上是同延的。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述測試光束是會聚的，并且所述干涉儀是相移干涉儀，用于通過從凸面鏡反射測試光束的一部分而從測試光束產(chǎn)生所述參考光束，并朝著樣品表面共線地引導(dǎo)所述參考和所述測試光束。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述干涉儀包括用于產(chǎn)生共線地朝著樣品表面的正交偏振的參考和測試光束的裝置和偏振相移干涉儀。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器包括用于測量從樣品表面上的點光源徑向傳播的所述部分光的相位值的多個相位傳感器。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述相位傳感器是Shack-Hartman傳感器。
11.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器包括用于測量從樣品表面上的點光源徑向傳播的所述部分光的相位值的多個相位傳感器。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述相位傳感器是Shack-Hartman傳感器。
13.一種用于測量從樣品表面上的點光源徑向散射的光的裝置，該裝置包括限定了赤道平面的基本上半球面的結(jié)構(gòu)；平臺，用于基本上在所述赤道平面上的位置保持樣品表面；測試光源，用于以預(yù)定的入射角照射樣品表面；以及多個多象素傳感器，用于測量朝著所述基本上半球面的結(jié)構(gòu)的內(nèi)部表面的離散部分的徑向散射的部分光的強度值。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述測試光源通過所述基本上半球面的結(jié)構(gòu)中的孔照射樣品表面。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器用于測量朝著基本上半球面的結(jié)構(gòu)的基本上所有的所述內(nèi)部表面散射的部分光的強度值。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置，其進一步包括光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)用于使所述部分光的一部分對準所述多個多象素傳感器中的一個，以便所述多個多象素傳感器中的所述一個中的相應(yīng)的一組象素接收所述部分光的所述部分。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中，所述光學(xué)系統(tǒng)包括非球面透鏡。
18.如權(quán)利要求13所述的裝置，其進一步包括參考光源，用于照亮參考表面，以及干涉儀，用于測量由從點光源散射的光和參考光源產(chǎn)生的參考光束之間的干涉導(dǎo)致的多個干涉圖。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述參考表面和所述樣品表面的一部分基本上是同延的。
20.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器包括用于測量從樣品表面上的點光源徑向散射的所述部分光的相位值的多個相位傳感器。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述相位傳感器是Shack-Hartman傳感器。
22.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器包括用于測量從樣品表面上的點光源徑向散射的所述部分光的相位值的多個相位傳感器。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述相位傳感器是Shack-Hartman傳感器。
24.如權(quán)利要求13所述的裝置，其進一步包括放置在所述赤道平面的相對側(cè)的第二基本上半球面的結(jié)構(gòu)；以及第二多個多象素傳感器，用于測量朝著所述第二基本上半球面的結(jié)構(gòu)的內(nèi)部表面的離散部分散射的透射的部分光的強度值。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中，所述第二多個多象素傳感器用于測量朝著第二基本上半球面的結(jié)構(gòu)的基本上所有的所述內(nèi)部表面方向散射的所述透射的部分光的強度值。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其進一步包括光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)用于使所述透射的部分光的一部分對準所述第二多個多象素傳感器中的一個，以便所述第二多個多象素傳感器中的所述一個中的相應(yīng)的一組象素接收透射的部分光的所述部分。
27.如權(quán)利要求13所述的裝置，其進一步包括光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)用于使所述部分光對準所述多個多象素傳感器，并且所述光學(xué)系統(tǒng)包括非球面透鏡。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器為六個，并且所述光學(xué)系統(tǒng)包括在所述基本上半球面的結(jié)構(gòu)上的網(wǎng)格構(gòu)造中連接的六個相應(yīng)的五角形非球面透鏡。
29.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中，在限定了和所述基本上半球面的結(jié)構(gòu)鄰近的若干平面表面的多面體構(gòu)造中布置所述多個多象素傳感器，并且所述光學(xué)系統(tǒng)包括相應(yīng)的若干非球面透鏡。
全文摘要
遠場測量裝置(10，50，150)具有多個成像透鏡(14，40)，所述成像透鏡(14，40)被切割成五角形的形狀，并且在網(wǎng)格球面構(gòu)造中布置，而且具有聚焦到將要被測量的散射光(26)的光源(S)上的共同的視場。非球面透鏡(40)便于校準大入射角的散射光。在每個透鏡(14)后面使用例如攝像機的測量模塊(12，78)。測量模塊可以由干涉儀或Shack－Hartman波陣面?zhèn)鞲衅?74)組成，從而能夠既測量散射光(26)的強度又測量散射光(26)的相位。
文檔編號G01B9/02GK1871505SQ200480005304
公開日2006年11月29日 申請日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月26日
發(fā)明者雷蒙德·J·卡斯頓瓜伊 申請人:雷蒙德·J·卡斯頓瓜伊