專利名稱：用于相位測(cè)量的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這份申請(qǐng)是美國(guó)專利申請(qǐng)第10/823,389號(hào)(2004年4月13日提交)的部份后繼申請(qǐng)，而第10/823,389號(hào)專利是第10/024,455號(hào)的部份后繼申請(qǐng)(2001年12月18日提交)，并且要求美國(guó)專利臨時(shí)申請(qǐng)第60/479,732號(hào)(2003年6月19日提交)的權(quán)益。上述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此通過引證被完整地并入。
背景技術(shù)：
以相位為基礎(chǔ)的光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)已被廣泛地用于需要亞波長(zhǎng)距離靈敏度的光學(xué)距離測(cè)量。光學(xué)距離被定義為折射指數(shù)和長(zhǎng)度的乘積。然而，大多數(shù)這樣的技術(shù)被在該領(lǐng)域中眾所周知的問題限制在能被定義為敘述軸向掃描的干涉圖彼此遠(yuǎn)離方面的困難的2π模糊度或整周模糊度。以未修改的諧波相位為基礎(chǔ)的低相干性干涉測(cè)量法(LCI)能用來確定差值光學(xué)距離(nλ2-nλ1)L，其中L是實(shí)際距離，nλ1和nλ2是在各自的波長(zhǎng)λ1，λ2下的折射指數(shù)，如果光學(xué)距離逐漸增加以致用LCI測(cè)量的差相位能通過它的2π疊加被跟蹤。為了確定溶液中DNA的(nλ2-nλ1)，舉例來說，DNA濃度在測(cè)量試管中逐漸增加。盡管這樣的測(cè)量方式在受控的環(huán)境中正常工作，但是它在樣品的可操作性較低的情況下無法實(shí)現(xiàn)。例如，該方法對(duì)被迫完整保存的固定的厚板材料不起作用。
問題在于未修改的LCI不能敘述軸向掃描的干涉圖彼此遠(yuǎn)離這一事實(shí)，在此被描述為2π模糊度問題。這是困擾大多數(shù)基于相位的光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)的問題。因此，這些技術(shù)不能完全地確定光學(xué)距離。所以，大多數(shù)這樣的技術(shù)被用于諸如計(jì)算連續(xù)表面的結(jié)構(gòu)或探測(cè)隨時(shí)間改變的距離變化之類的應(yīng)用，其中相位展開通過在相鄰點(diǎn)之間或在小的時(shí)間增量之上的相位的比較是可能的。
在許多應(yīng)用中，重要的是定量地測(cè)量透過樣品或從樣品反射的光波的相位。具體地說，透過生物樣品或從生物樣品反射的光波的相位光波能在活的或無生命的細(xì)胞中形成有效的結(jié)構(gòu)和功能探頭。
干涉測(cè)量法是用來測(cè)量光波的相位的用途廣泛的技術(shù)。定量的干涉測(cè)量法的一個(gè)共同問題是對(duì)由于諸如振動(dòng)、空氣運(yùn)動(dòng)和熱漂移之類的外部微擾造成的相位噪聲的敏感性。因此，仍然需要解決相位噪音問題的相位測(cè)量系統(tǒng)。
干涉測(cè)量法是得到與樣品相關(guān)聯(lián)的相位信息的一種途徑。諸如相位對(duì)比和Nomarski顯微鏡之類的技術(shù)僅僅作為對(duì)比要素使用光學(xué)相位，不提供關(guān)于它的數(shù)量的定量信息。存在一些用來測(cè)量透過幾乎透明的樣品的光波的相位的技術(shù)。這些包括數(shù)字記錄型干涉顯微鏡(DRIMAPS)和經(jīng)由強(qiáng)度方程傳遞的相位分布圖的非干涉儀探測(cè)。
反射干涉測(cè)量法能夠有比所用光波的波長(zhǎng)小很多的靈敏度。按幾分之一納米或更小比例的測(cè)量在度量衡學(xué)和微細(xì)結(jié)構(gòu)表征方面是常見的。然而，在諸如生物細(xì)胞和組織之類微弱反射樣品上用納米級(jí)的干涉測(cè)量法的已經(jīng)完成的工作很少。光學(xué)相干性斷層攝影術(shù)(OCT)——使用生物樣品的干涉測(cè)量技術(shù)——主要是與振幅有關(guān)而不是與來自反射光波的干涉的相位有關(guān)，所以在分辨率方面被局限于所用光波的相干長(zhǎng)度，通常是2-20微米。
引用相位的反射干涉測(cè)量法已經(jīng)用來測(cè)量單層細(xì)胞的體積變化。所用的基于諧波相位的干涉儀需要兩個(gè)光源，是相對(duì)低的(5赫茲)，而且在所述帶寬有大約20mrad的相位靈敏度。因此，仍然需要解決相位噪聲問題并且?guī)椭_發(fā)不同的成像應(yīng)用的有效的相位測(cè)量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案涉及處理諸如相位噪聲之類的問題的相位測(cè)量系統(tǒng)，例如，使用包括但不限于共向光程干涉測(cè)量法、相位參比、主動(dòng)穩(wěn)定和差動(dòng)測(cè)量的若干種策略的組合。實(shí)施方案涉及用光波使組織或小的生物體成像的光學(xué)裝置。這些實(shí)施方案能被應(yīng)用于，例如，細(xì)胞生理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。所述優(yōu)選的實(shí)施方案以相位測(cè)量和成像技術(shù)的原理為基礎(chǔ)。使用相位測(cè)量和成像技術(shù)的科學(xué)動(dòng)機(jī)起源于，例如，亞微米水平的細(xì)胞生物學(xué)，它能不受限制地包括發(fā)育異常、細(xì)胞通訊、神經(jīng)元傳輸和使用遺傳密碼的程序的執(zhí)行的成像源。亞細(xì)胞組份的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)現(xiàn)在不能使用現(xiàn)有的方法和技術(shù)(包括，例如，X射線和中子散射)在它們的自然狀態(tài)進(jìn)行研究。反之，納米分辨率的以光波為基礎(chǔ)的技術(shù)使細(xì)胞機(jī)器能夠在其自然狀態(tài)進(jìn)行研究。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括以干涉測(cè)量法和/或相位測(cè)量的原理為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，并且被用于研究細(xì)胞生理學(xué)。這些系統(tǒng)包括使用光學(xué)干涉儀測(cè)量相位的低相干性干涉測(cè)量法(LCI)，或其中使用細(xì)胞組份本身之內(nèi)的干涉光波散射光譜學(xué)(LSS)的原理，或在替代方案中，LCI和LSS的原理能被結(jié)合起來導(dǎo)致本發(fā)明的系統(tǒng)。
相位測(cè)量和成像系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案包括主動(dòng)穩(wěn)定的干涉儀、隔離干涉儀、共向光程干涉儀，而且能包括使用空間光波調(diào)制的相襯顯微鏡。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法涉及優(yōu)選以亞納米精度的，基于精確的相位測(cè)量任意長(zhǎng)的光學(xué)距離的技術(shù)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案使用有諧波關(guān)系的光源(一個(gè)連續(xù)波(CW)和有低相干性(LC)的第二光源)的干涉儀，例如，Michelson干涉儀。低相干性來源提供寬廣的光譜帶寬，優(yōu)選的是，就1微米(μm)的波長(zhǎng)而言帶寬大于5nm，例如，必需的帶寬能隨著波長(zhǎng)和應(yīng)用變化。通過在目標(biāo)樣品的掃描之間微調(diào)低相干光源的中心波長(zhǎng)，在CW和低相干性光波的外差信號(hào)之間的相位關(guān)系能用來以亞納米精度測(cè)量反射界面之間的分離。因?yàn)檫@種方法是完全沒有困擾大多數(shù)基于相位的技術(shù)的問題——2π模糊度，所以能用來在不降低精度的情況下測(cè)量任意長(zhǎng)的光學(xué)距離。本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施方案的應(yīng)用是在已知實(shí)際厚度的樣品的給定波長(zhǎng)下精確確定樣品的折射指數(shù)。本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施方案的另一個(gè)應(yīng)用是用已知的折射指數(shù)精確確定樣品的實(shí)際厚度。本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施方案的進(jìn)一步的應(yīng)用是在兩個(gè)給定的波長(zhǎng)下精確確定折射指數(shù)比。
在其它可能的優(yōu)選實(shí)施方案中，低相干光源提供帶寬足夠?qū)挼墓獠ǎ瑑?yōu)選大于5nm，以便同時(shí)提供各自的中心波長(zhǎng)彼此分開大約2nm以上的第一低相干波長(zhǎng)和第二低相干波長(zhǎng)。所述低相干波長(zhǎng)的頻譜不充分地重疊。附加的探測(cè)器和濾波器被安排在干涉儀中以便傳輸和探測(cè)兩個(gè)低相干波長(zhǎng)。
優(yōu)選實(shí)施方案的方法能用來進(jìn)行精確的光學(xué)距離測(cè)量。依據(jù)這樣的測(cè)量結(jié)果，目標(biāo)物體的光學(xué)性質(zhì)能被精確地測(cè)量。通過測(cè)量目標(biāo)的色散分布圖，可以估計(jì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和/或化學(xué)性質(zhì)。該色散分布圖把各種不同的波長(zhǎng)下的折射指數(shù)差繪成圖。在生物醫(yī)學(xué)背景中，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案通過非接觸和非侵入的方式精確確定生物組織的色散性質(zhì)。所述色散測(cè)定能用在眼睛的角膜或水樣液上。所實(shí)現(xiàn)的靈敏度足以探測(cè)依葡萄糖濃度而定的光學(xué)變化。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，血液的葡萄糖水平能通過非侵入測(cè)量眼睛的水樣液和/或玻璃體或角膜的色散分布圖被確定下來。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案能作為半導(dǎo)體制造中的測(cè)量技術(shù)被應(yīng)用于測(cè)量在制造集成電路和/或光電部件期間形成的小特征。因?yàn)樗龇椒ǖ膬?yōu)選實(shí)施方案是非接觸的和非破壞性的，所以能夠在制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或光學(xué)部件的時(shí)候監(jiān)測(cè)它們的厚度。
依照本發(fā)明使用Mach-Zender外差式干涉儀的優(yōu)選實(shí)施方案，用來測(cè)量經(jīng)過一部分樣品的光波的相位的方法包括如下步驟提供光波的第一波長(zhǎng)；沿著第一光程和第二光程引導(dǎo)第一波長(zhǎng)的光波，第一光程延伸到要測(cè)量的樣品媒介物上而第二路徑經(jīng)歷路徑長(zhǎng)度方面的改變，以及探測(cè)來自樣品媒介物的光波和來自第二光程的光波以便測(cè)量光波通過樣品媒介物上兩個(gè)分開的點(diǎn)在相位方面的改變。媒介物包含生物組織，例如，神經(jīng)元。該方法包括使用光電二極管陣列或與光電二極管耦合的光纖束使樣品的相位在眾多的位置同時(shí)成像。該方法進(jìn)一步包括在第二光程中頻移所述的光波。該方法包括提供發(fā)射第一波長(zhǎng)的氦氖激光源()或低相干光源。
依照本發(fā)明的另一方面，主動(dòng)穩(wěn)定的干涉儀被用于測(cè)量通過一部分樣品的光波的相位的方法，該方法包括如下步驟提供分別由第一光源和第二光源產(chǎn)生的第一信號(hào)和第二信號(hào)，第二光源是低相干性來源。該方法包括沿著第一光程和第二光程引導(dǎo)第一信號(hào)和第二信號(hào)；改變第一光程和第二光程之間的路徑長(zhǎng)度差；產(chǎn)生指示其間有光程延遲的第一和第二信號(hào)之和的輸出信號(hào)；在干涉儀鎖定調(diào)制頻率下調(diào)制該輸出信號(hào)；以及借助干涉儀鎖定相位的時(shí)間進(jìn)展來確定樣品的相位。第一和第二信號(hào)是兩個(gè)低相干性信號(hào)。該方法進(jìn)一步包括用混頻器或鎖定放大器解調(diào)第一信號(hào)。該方法包括用電子學(xué)方法產(chǎn)生干涉儀鎖定相位。
依照本發(fā)明的另一方面，雙光束反射干涉儀被用于測(cè)量經(jīng)過一部分樣品的光波的相位的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括產(chǎn)生第一信號(hào)的第一光源；產(chǎn)生靠時(shí)間延遲與第一信號(hào)分開兩個(gè)脈沖的第二信號(hào)的干涉儀；從干涉儀與樣品聯(lián)系的第一光程和從干涉儀與基準(zhǔn)面聯(lián)系的第二光程；以及依據(jù)分別來自樣品和基準(zhǔn)面的第一和第二信號(hào)和從樣品和基準(zhǔn)面反射的光波之間的干涉測(cè)量第一外差信號(hào)的探測(cè)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括探測(cè)指示樣品反射相對(duì)于基準(zhǔn)面反射的相位的外差信號(hào)的相位。第一信號(hào)是低相干性信號(hào)。光波的第一來源能不受限制地包括超級(jí)發(fā)光二極管或多模激光二極管之一。干涉儀的第二路徑進(jìn)一步包括第一路徑和第二路徑，而且第二路徑有聲光調(diào)制器。該系統(tǒng)包括包含光纖的光路。該系統(tǒng)包括隔震的外差Michelson干涉儀。該干涉儀進(jìn)一步包括附著到平移臺(tái)上調(diào)節(jié)光程長(zhǎng)度差的反射鏡。所述的探測(cè)系統(tǒng)包括探測(cè)從樣品反射的信號(hào)的第一探測(cè)器和探測(cè)從基準(zhǔn)面反射的信號(hào)的第二探測(cè)器。
依照另一方面，本發(fā)明提供使用相襯顯微鏡和空間光波調(diào)制使樣品成像的方法。在各種不同的實(shí)施方案中，所述方法包括照亮樣品，由于源于照亮樣品的光波有低頻空間組份和高頻空間組份。低頻空間組份的相位被偏移以便提供至少三個(gè)被移相的低頻空間組份。優(yōu)選的是，相位是按，例如，π/2的增量偏移的，以便產(chǎn)生相移π/2、π和3π/2的低頻空間組份。
未偏移的低頻空間組份和至少三個(gè)被移相的低頻空間組份沿著共向光程分開干涉高頻空間組份，產(chǎn)生每個(gè)分開干涉的強(qiáng)度信號(hào)。然后，例如，使用至少四個(gè)強(qiáng)度信號(hào)產(chǎn)生樣品的圖像或相位圖像。
依照另一方面，本發(fā)明提供非接觸式光學(xué)測(cè)量有反射表面的樣品的方法，該方法有如下步驟提供產(chǎn)生第一信號(hào)的第一光源；使用雙光束干涉儀產(chǎn)生靠時(shí)間延遲與第一信號(hào)分開兩個(gè)脈沖的第二信號(hào)；提供從干涉儀與樣品聯(lián)系的第一光程和從干涉儀與基準(zhǔn)面聯(lián)系的第二光程；依據(jù)分別來自樣品和基準(zhǔn)面的第一和第二信號(hào)和從樣品和基準(zhǔn)面反射的光波之間的干涉測(cè)量第一外差信號(hào)；以及探測(cè)指示樣品反射相對(duì)于基準(zhǔn)面反射的相位的外差信號(hào)的相位。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，第一信號(hào)是低相干性信號(hào)。第一光源可能是超級(jí)發(fā)光二極管或多模激光二極管。所述干涉儀進(jìn)一步包括第一路徑和第二路徑，第二路徑有聲光調(diào)制器。所述方法進(jìn)一步包括包含光學(xué)光纖的光路。所述樣品可能是神經(jīng)細(xì)胞的一部分。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述干涉儀包括隔震的外差式Michelson干涉儀。該干涉儀進(jìn)一步包括附著到平移臺(tái)上可控制地調(diào)節(jié)光程長(zhǎng)度差的反射鏡。優(yōu)選的實(shí)施方案包括完成神經(jīng)膨脹的第一種非接觸的和第一種干涉測(cè)量法的測(cè)量的外差式低相干性干涉儀。神經(jīng)膨脹的生物物理學(xué)機(jī)制能依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案使用個(gè)別的軸突成像和分析。雙光束低相干性干涉儀在測(cè)量活細(xì)胞的納米級(jí)運(yùn)動(dòng)方面可能有許多其它的應(yīng)用。其它的實(shí)施方案能包括以干涉儀為基礎(chǔ)探測(cè)單一神經(jīng)元與動(dòng)作電位相關(guān)聯(lián)的機(jī)械變化的顯微鏡。相關(guān)的干涉測(cè)量方法也用來測(cè)量在被培養(yǎng)的單層細(xì)胞中細(xì)胞體積變化。
本發(fā)明的另一方面包括用來使樣品光學(xué)成像的光纖探頭，該光纖探頭包括有近端和遠(yuǎn)端的外殼；在外殼的近端與光源耦合的光纖準(zhǔn)直儀；以及在外殼遠(yuǎn)端的折射率漸變透鏡，該透鏡有第一和第二表面，其中第一表面是基準(zhǔn)表面，而且該探頭的數(shù)值孔徑提供來自樣品的散射表面的有效的光波聚集。該探頭進(jìn)一步包括裝在平移式載物臺(tái)上的光纖探頭以便至少完成二維相位成像和三維共焦相位成像之一。平移式載物臺(tái)包括掃描壓電轉(zhuǎn)換器。探頭的數(shù)值孔徑在大約0.4到0.5的范圍內(nèi)。
所述的用于相位測(cè)量的系統(tǒng)和方法的上述的和其它的特征和優(yōu)勢(shì)從下面的在相似的基準(zhǔn)字符在不同的視圖中處處表示相同的部份的附圖中舉例說明的系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實(shí)施方案的更具體的描述將變得明顯。這些圖畫不必依比例繪制，而是強(qiáng)調(diào)舉例說明本發(fā)明的原理。


圖1是依照本發(fā)明測(cè)量光學(xué)距離的系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖；圖2依照優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明與反射界面相關(guān)聯(lián)的低相干性外差信號(hào)，其中調(diào)節(jié)低相干性波長(zhǎng)壓縮或擴(kuò)展界面周圍的外差信號(hào)(取決于低相干光源的中心波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)方向)；圖3依照優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明與樣品中的兩個(gè)反射界面相關(guān)聯(lián)的外差信號(hào)，其中減少低相干性波長(zhǎng)壓縮界面周圍的外差信號(hào)；圖4依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明有兩個(gè)界面的樣品的掃描，(a)低相干性外差信號(hào)，(b)痕跡，其中放大圖表示相位條紋，每個(gè)條紋與λCW的光學(xué)距離相對(duì)應(yīng)，(c)在Δ的兩個(gè)差值處的痕跡，其中箭頭指出相位交點(diǎn)，垂直軸以弧度為單位；圖5舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案確定通過選擇使基于SPhase和SfrigE的估計(jì)之間的誤差減到最少的數(shù)值實(shí)測(cè)的(n775nmL)的正確估計(jì)的方法；圖6A和6B是舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案測(cè)量光學(xué)距離的方法的流程圖；圖7是依照本發(fā)明測(cè)量光學(xué)距離的系統(tǒng)的其它可能的優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖；圖8A和8B是舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案測(cè)量光學(xué)距離的替代方法的流程圖；圖9示意地舉例說明測(cè)量諸如玻璃板、組織樣品或組織層之類光學(xué)透明的材料的厚度的基于光纖的系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案；圖10舉例說明依照本發(fā)明用于玻璃體和/或水樣體液葡萄糖測(cè)量系統(tǒng)的本發(fā)明的系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案；圖11舉例說明主動(dòng)穩(wěn)定的Michelson干涉儀，其中依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案M是反射鏡，MM是移動(dòng)反射鏡，BS是分光鏡，PM是相位調(diào)制器，D是探測(cè)器，LO是本地振蕩源，MX是混頻器，S是求和放大器；圖12舉例說明用于光學(xué)延遲相敏低相干性干涉測(cè)量法(LCI)的穩(wěn)定的干涉儀，其中DBS依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案是二色分光鏡；
圖13舉例說明當(dāng)光程長(zhǎng)度差ΔL依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案改變時(shí)的一對(duì)界面的樣品解調(diào)干涉圖，；圖14A舉例說明用于穩(wěn)定的相敏低相干性干涉測(cè)量法(LCI)的系統(tǒng)，其中LC1和LC2依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案是低相干性光束；圖14B舉例說明依照本發(fā)明使用壓電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生相位變化的用于主動(dòng)穩(wěn)定的相敏低相干性干涉測(cè)量法(LCI)的系統(tǒng)的替代實(shí)施方案；圖15A和15B是LC1和LC2的解調(diào)的條紋圖，其中LC2信號(hào)的兩個(gè)峰依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案代表蓋玻片反射(大的)和來自樣品的反射(小的)；圖16舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案用于穩(wěn)定的相敏低相干性干涉測(cè)量法的成像系統(tǒng)；圖17舉例說明用于二維相位成像的展開的光學(xué)設(shè)計(jì)，其中依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，實(shí)線表示入射光線，而虛線表示反向散射的光線；圖18A依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明兩點(diǎn)Mach-Zender外差干涉儀；圖18B依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明成像Mach-Zender外差干涉儀；圖18C舉例說明與參照?qǐng)D18B描述的實(shí)施方案相關(guān)聯(lián)的外差信號(hào)和選通信號(hào)；
圖18D依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明成像雙光束外差式干涉儀；圖19依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明隔離的雙光束外差式低相干性干涉儀；圖20依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明雙基準(zhǔn)面外差式低相干性干涉儀；圖21依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明光學(xué)參比干涉儀的優(yōu)選實(shí)施方案；圖22依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案示意地舉例說明由于作為抽樣對(duì)象的基準(zhǔn)面點(diǎn)位于同一表面(玻璃)上造成的實(shí)測(cè)相位的組份；圖23A和23B依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案就參照?qǐng)D21舉例說明的實(shí)施方案分別圖解式地舉例說明壓電轉(zhuǎn)換器(PZT)的電壓和對(duì)應(yīng)的相位變化；圖24依照?qǐng)D21舉例說明的干涉儀以弧度為單位圖解式地舉例說明噪聲性能；圖25A和25B是依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案用于樣品信號(hào)和基準(zhǔn)面信號(hào)的標(biāo)定組件的示意表達(dá)；圖26示意地舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的干涉儀系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案；圖27舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案測(cè)量神經(jīng)位移的系統(tǒng)的示意圖；
圖28A和28B依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案圖解式地舉例說明有關(guān)于時(shí)間(ms)的神經(jīng)位移(nm)和電勢(shì)(μV)；圖29依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案圖解式地舉例說明單一神經(jīng)的峰值電勢(shì)(十字)和位移(圓)，其中變量刺激電流振幅；圖30舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案用于雙光束干涉儀的掃描系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)；圖31舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案檢流計(jì)位置和使用Lissajous掃描從空的蓋玻片收集的相位數(shù)據(jù)；圖32A和32B依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案分別舉例說明使用在圖31中表現(xiàn)和圖解式舉例說明的數(shù)據(jù)的相位圖像的彩色映射圖和回射強(qiáng)度圖像；圖33示意地舉例說明借助本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案解決的聚焦問題；圖34舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案用于雙焦透鏡的設(shè)計(jì)；圖35舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案用于雙焦透鏡的替代設(shè)計(jì)；圖36舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案計(jì)算透鏡f3(雙焦透鏡)和f2之間的最佳距離；圖37舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案制造雙焦透鏡；
圖38舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，當(dāng)物鏡向玻璃蓋玻片掃描時(shí)通過光學(xué)循環(huán)器測(cè)量的回射強(qiáng)度；圖39舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，回射強(qiáng)度隨使用雙焦透鏡f3的物鏡焦點(diǎn)位置變化；圖40舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案在兩種蓋玻片反射的情況下，回射強(qiáng)度隨使用雙焦透鏡的物鏡焦點(diǎn)位置變化；圖41舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，當(dāng)f2和f3之間的距離被調(diào)節(jié)到與在前后玻璃表面之間的空隙相配時(shí)，在兩種蓋玻片反射的情況下回射強(qiáng)度隨使用雙焦透鏡的物鏡焦點(diǎn)位置變化；統(tǒng)稱為圖42的圖42A和42B依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明由于軸向的和邊緣的光束在光學(xué)系統(tǒng)中耦合形成額外的較小的峰；圖43A舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案作為整體元件有基準(zhǔn)面表面的雙光束探頭；圖43B是雙光束干涉儀探頭的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案；圖43C是兩個(gè)神經(jīng)纖維的圖像；圖43D是外差信號(hào)振幅作為位置的函數(shù)的圖像；圖43E是在圖43D中見到的同一樣品的反射相位圖像；
圖44是依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，適用于研究在動(dòng)作電位期間在神經(jīng)中觀察到的位移效果的幾何學(xué)的雙光束探頭的圖表示例；圖45是依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案用來通過掃描探頭或樣品成像的雙光束探頭系統(tǒng)；圖46A-46C舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，使用雙焦雙光束顯微鏡從干燥的人類面頰上皮細(xì)胞反向散射的光波的強(qiáng)度圖像、相位圖像和明視場(chǎng)圖像；圖46D-46G舉例說明在圖43中舉例說明的雙光束顯微鏡的輪廓曲線測(cè)定能力，其中圖46D是圖46E舉例說明的平凸透鏡系統(tǒng)的中心部分的強(qiáng)度圖像，圖46F是反射光波的相位映射圖，而圖46G是相位圖像的橫截面，依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案通過二次擬合展開的相位。
圖47A-47E依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案分別舉例說明移相干涉測(cè)量法系統(tǒng)的示意圖、相位步進(jìn)和桶式整合；圖48A-48C分別舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的頻閃式外差干涉測(cè)量系統(tǒng)和桶式整合的原理；圖49A舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的雙光束頻閃式外差干涉儀；圖49B和49C舉例說明表現(xiàn)依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的雙光束探頭聚焦在靜止的玻璃表面上的相位噪聲的數(shù)據(jù)；圖50A舉例說明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，其中來自分開的路徑的光波被引向公共路徑而且被聚焦在被測(cè)量的材料的不同區(qū)域；
圖50B是使用圖50A所示系統(tǒng)的雙光束系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案；圖50C提供關(guān)于在圖50B舉例說明的系統(tǒng)之內(nèi)的偏振組份的細(xì)節(jié)；圖51A-51D是這種依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的圖像描述的各種特征的示意表達(dá)；圖52示意地舉例說明依照本發(fā)明以透射幾何學(xué)為基礎(chǔ)的顯微鏡系統(tǒng)的各種不同的實(shí)施方案；圖53示意地舉例說明依照本發(fā)明以反射幾何學(xué)為基礎(chǔ)的顯微鏡系統(tǒng)的各種不同的實(shí)施方案；統(tǒng)稱為圖54的圖54A和54B示意地舉例說明用光學(xué)顯微鏡整合本發(fā)明的各種實(shí)施方案的一個(gè)實(shí)施方案；圖55示意地舉例說明本發(fā)明利用4-f系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法的各種不同的實(shí)施方案；圖56示意地舉例說明依照本發(fā)明利用空間光波調(diào)制(SLM)的相襯顯微鏡系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案；圖57A和57B依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案示意地舉例說明在振幅模式和相位模式中在圖像的象素上的光電效應(yīng)；圖58A-58C是依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案操作的SLM模式的各種不同的實(shí)施方案的方框圖；
圖59是依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案針對(duì)按振幅模式操作的儀器獲得的標(biāo)定曲線的例子；圖60A-60D展示依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案使用反射幾何學(xué)的系統(tǒng)在四種不同的相位移動(dòng)下獲得的圖像；圖61示意地舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案在電磁場(chǎng)矢量E和電磁場(chǎng)的高頻波矢量組份EH和電磁場(chǎng)的低頻波矢量組份EL之間的關(guān)系；圖62是依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案使用例如在圖35A-35D和等式55中舉例說明的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的標(biāo)定樣品的Δφ?qǐng)D像；圖63是使用依照本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的實(shí)施例1的標(biāo)定樣品的相位圖像；圖64展示依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案使用透射幾何學(xué)獲得的相位圖像；圖65展示依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案獲得的洋蔥細(xì)胞強(qiáng)度圖像；圖66展示依照本發(fā)明使用透射幾何學(xué)獲得的洋蔥細(xì)胞相位圖像；圖67依照優(yōu)選的實(shí)施方案舉例說明實(shí)驗(yàn)裝備，其中VPS是虛擬的點(diǎn)光源；CL是矯正透鏡；IP是成像平面；P是偏光波鏡；BS是光束分離器；FL是傅立葉透鏡；PPM是可編程的相位調(diào)制器；CCD是電荷耦合器件，PC是個(gè)人計(jì)算機(jī)；
圖68A和68B舉例說明依照優(yōu)選的實(shí)施方案使用10×顯微鏡物鏡獲得的關(guān)于聚苯乙烯微球浸沒在100％丙三醇中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖68A是強(qiáng)度圖像，圖68B是定量的相位圖像。彩色條代表以nm表達(dá)的相位；圖69A-69C舉例說明依照優(yōu)選實(shí)施方案使用40×顯微鏡物鏡獲得的LCPM圖像，其中圖69A是經(jīng)歷有絲分裂的HE1A癌細(xì)胞的相位圖像，圖69B是整個(gè)血涂片的相位圖像，而圖69C是與缺乏細(xì)胞的點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的瞬時(shí)相位變動(dòng)(標(biāo)準(zhǔn)偏差σ被指出)。彩色條代表以nm表達(dá)的相位。
具體實(shí)施例方式
用于距離測(cè)量的諧波干涉測(cè)量法本發(fā)明涉及以相位相交為基礎(chǔ)測(cè)量光學(xué)距離的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法通過在干涉儀中引進(jìn)色散不平衡解決整數(shù)或2π模糊度問題。所述方法的優(yōu)選實(shí)施方案能精確測(cè)量表面上兩個(gè)毗連的點(diǎn)的相對(duì)高度差。此外，業(yè)已發(fā)現(xiàn)樣品的折射指數(shù)的準(zhǔn)確度僅僅受實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品實(shí)際厚度的精度的限制。
在基于諧波相位的干涉測(cè)量法(HPI)中用連續(xù)波(CW)光源代替其中一個(gè)低相干光源允許使用相關(guān)聯(lián)的CW外差信號(hào)作為測(cè)量低相干性外差信號(hào)的光學(xué)標(biāo)尺的形式。低相干光源提供光譜帶寬，例如，對(duì)于1微米波長(zhǎng)大于5nm。使用所述改進(jìn)的HPI的優(yōu)勢(shì)之一是實(shí)測(cè)相位現(xiàn)在對(duì)長(zhǎng)度標(biāo)尺nL而不是對(duì)(nλ2-nλ2)L敏感，其中n是在低相干波長(zhǎng)下的折射指數(shù)。數(shù)量n實(shí)際上比合成數(shù)量(nλ2-nλ2)有用得多。通過把低相干波長(zhǎng)略微調(diào)節(jié)，例如，大約2nm，人們能發(fā)現(xiàn)數(shù)值nL沒有2π模糊度而有亞納米級(jí)的靈敏度。這種方法使用CW外差干涉信號(hào)作為測(cè)量光學(xué)距離的基準(zhǔn)面光學(xué)標(biāo)尺。
使用容易得到的低相干光源測(cè)量干涉光學(xué)距離的系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)大約幾十個(gè)波長(zhǎng)的分辨率。盡管這種技術(shù)是比較不敏感的，但是它不必解決2π模糊度問題。優(yōu)選實(shí)施方案包括使用相位以亞納米精度測(cè)量任意長(zhǎng)的光學(xué)距離的低相干性干涉測(cè)量法。這種方法使用低相干性相位相交技術(shù)來確定整數(shù)干涉條紋并且使用來自測(cè)量的附加的相位信息來準(zhǔn)確地獲得分?jǐn)?shù)條紋。除此之外，它提供深度分辨率并且能被用于成層樣品的X射線斷層剖面測(cè)定。因?yàn)樗龇椒芫_測(cè)量長(zhǎng)的光學(xué)距離，所以它能用來準(zhǔn)確地確定眾多材料的折射指數(shù)。因?yàn)檫@是基于相位的方法，所以這樣發(fā)現(xiàn)的折射指數(shù)是相位折射指數(shù)而不是群體折射指數(shù)。
圖1舉例說明本發(fā)明的包括改進(jìn)的Michelson干涉儀的系統(tǒng)10的優(yōu)選實(shí)施方案。輸入光波12是由來自Ti藍(lán)寶石激光器的(例如，以775.0nm發(fā)射的)150-fs鎖模光波和來自例如半導(dǎo)體激光器的連續(xù)波(CW)1550.0nm的光波組成的雙色復(fù)合光束。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述方法根據(jù)CW波長(zhǎng)(在這個(gè)實(shí)施方案中準(zhǔn)確地說是1550.0nm)算出光學(xué)距離，而且所有的光學(xué)距離都是基于這個(gè)基礎(chǔ)計(jì)算的。復(fù)合光束在分光鏡14處被一分為二。一部份信號(hào)入射到目標(biāo)樣品16上，而另一部分入射到優(yōu)選以(例如)大約0.5毫米/秒的速度移動(dòng)的基準(zhǔn)反射鏡32上，后者在基準(zhǔn)光束34上誘發(fā)多普勒偏移。多普勒偏移可以是用其它裝置誘發(fā)的，例如，通過使用電光調(diào)制器。背反射的光束在分光鏡14處被再次結(jié)合，借助二向色鏡18被分成它們的波長(zhǎng)組份，而且被光電探測(cè)器20、22分開測(cè)量。由此產(chǎn)生的信號(hào)借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)24(例如，16位100kHz的A/D轉(zhuǎn)換器)數(shù)字化。諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)26之類的數(shù)據(jù)處理器與ADC24通信，以便進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)。由此產(chǎn)生的外差信號(hào)在它們各自的多普勒偏移頻率下有在它們各自的中心外差頻率周圍的通頻帶而且被進(jìn)行Hilbert變換以便推斷出外差信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位，ψCW和ψLC。下標(biāo)CW和LC分別表示1550.0nm的連續(xù)波組份和775.0nm的低相干性波長(zhǎng)組份。
然后，把低相干性光波的中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)大約1-2nm，而且測(cè)量第二組ψCW和ψLC數(shù)值。依據(jù)這兩組讀數(shù)，能以亞納米精度使目標(biāo)樣品中的各種不同的界面定域。用于定域的數(shù)據(jù)處理在下文予以描述。
考慮由距分光鏡14未知距離x1的單一界面所組成的樣品。從分光鏡14到基準(zhǔn)反射鏡32的距離x在基準(zhǔn)反射鏡的掃描中在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都是已知量。
尋找x1的近似值的方法是通過在重新組合的低相干性光束中掃描x和監(jiān)測(cè)由此產(chǎn)生的外差信號(hào)。當(dāng)x近似等于x1的時(shí)候，外差信號(hào)振幅的峰值是預(yù)期的。這種方法的精確度受光源的相干長(zhǎng)度LC和外差信號(hào)的信噪比質(zhì)量限制。在現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，確定的x1的誤差不可能好于相干長(zhǎng)度的五分之一。
假定典型的低相干光源的相干長(zhǎng)度名義上是大約10μm。這意味著所述確定長(zhǎng)度的方法的誤差被限制到大約2μm。
在考慮外差信號(hào)的相位時(shí)，檢測(cè)到的外差信號(hào)的不同組份能被表示成Iheterodyne=Erefei(2kx-ωt)Esige-i(2kx1-ωt)+c.c.]]>=2ErefEsigcos(2k(x-x1))---(1)]]>
其中ErEf和Esig分別是基準(zhǔn)電磁場(chǎng)振幅和信號(hào)電磁場(chǎng)振幅，k是光學(xué)波數(shù)，ω是光學(xué)頻率。指數(shù)中的因子2表示光波兩次經(jīng)過該路徑即照射到反射鏡/樣品和返回分光鏡。
請(qǐng)注意，當(dāng)x精確地與x1相配的時(shí)候，外差信號(hào)被期望達(dá)到峰值。兩個(gè)返回的光束處在相長(zhǎng)干涉之中。所以，這個(gè)性質(zhì)被用來定域界面。x1是通過尋找兩個(gè)光束處于相長(zhǎng)干涉時(shí)的x數(shù)值找到的。由于相位能被準(zhǔn)確地測(cè)量，所以這種方法給出大約5nm的長(zhǎng)度靈敏度。不幸的是，這種方法是需要加強(qiáng)計(jì)算的，因?yàn)橛卸鄠€(gè)外差信號(hào)達(dá)到峰值的x值；明確地說，外差信號(hào)在x滿足下式的時(shí)候達(dá)到峰值x＝x1+aλ/2 (2)其中a是整數(shù)，λ是光學(xué)波長(zhǎng)。這是2π模糊度問題的表現(xiàn)。
優(yōu)選的實(shí)施方案包括辨別正確的峰的方法。請(qǐng)注意，當(dāng)x確切地等于x1的時(shí)候，不管光學(xué)波長(zhǎng)，外差信號(hào)達(dá)到峰值。另一方面，如同在圖2中舉例說明的那樣，后來的峰取決于波長(zhǎng)。圖2舉例說明與樣品中的反射界面52相關(guān)聯(lián)的低相干性外差信號(hào)。所以，通過調(diào)節(jié)低相干性波長(zhǎng)，該外差信號(hào)被壓縮在界面和與能確切地區(qū)別x-x1的情形相關(guān)聯(lián)的正確的峰的周圍。人們應(yīng)該注意到外差信號(hào)可能在界面周圍被壓縮或擴(kuò)展，取決于調(diào)節(jié)方向。肉眼觀察定域的直觀方法是畫出擠進(jìn)x確切地等于x1的條紋或遠(yuǎn)離x確切地等于x1的條紋擴(kuò)展的外差信號(hào)。
由于以下兩個(gè)原因在所述定域方法中需要CW光源。第一，實(shí)際上在干涉儀中絕對(duì)準(zhǔn)確地識(shí)別該數(shù)值是非常困難的。干涉儀的CW組份允許在掃描基準(zhǔn)反射鏡的時(shí)候，非常精確地測(cè)量x。在特定的優(yōu)選實(shí)施方案中，為了確定樣品中兩個(gè)界面之間的距離，數(shù)出發(fā)生在x1等于到圖1所示的第一界面的距離的位置和x2(x2＝x1+nL，其中n是樣品的折射指數(shù))等于到第二界面的距離的位置之間的CW干涉條紋的數(shù)目。圖3舉例說明與樣品中兩個(gè)反射界面相關(guān)聯(lián)的外差信號(hào)。調(diào)節(jié)低相干性波長(zhǎng)把外差信號(hào)78、80壓縮82、84到界面周圍。
第二，如果有與反射過程相關(guān)聯(lián)的相位偏移，前面描述的界面定域方法可能部分地失敗。例如，如果表面是金屬的，那么相位偏移并非是微不足道的，而且當(dāng)x確切地等于x1時(shí)外差信號(hào)的相位具有某個(gè)其它的數(shù)值。盡管先前的方法允許在x＝x1之時(shí)識(shí)別正確的干涉條紋，然而亞波長(zhǎng)靈敏度可能是折衷的。CW外差信號(hào)的出現(xiàn)允許借助HPI方法發(fā)現(xiàn)差相位。對(duì)這個(gè)數(shù)值的了解允許以高水平的靈敏度使界面定域。
HPI方法的原理能通過可仿效的，在775nm的波長(zhǎng)下折射指數(shù)為n775nm的，厚度為L(zhǎng)樣品的實(shí)施方案舉例說明。該樣品的兩個(gè)界面處在距分光鏡的光學(xué)距離分別為x1和x2(其中x2＝x1+n775nmL)的位置。請(qǐng)注意，如果光學(xué)距離間隔大于相干長(zhǎng)度，例如，典型地在低相干光源的1微米和100微米之間，該方法才能工作。否則，與界面相關(guān)聯(lián)的外差相位信號(hào)合并在一起并且導(dǎo)致錯(cuò)誤的界面定域。為了解釋清楚，與反射相關(guān)聯(lián)的相位偏移的結(jié)合被推遲到后面。
圖4是舉例說明數(shù)學(xué)描述的掃描。該掃描是有兩個(gè)界面的樣品。信號(hào)100是低的相干性外差信號(hào)。痕跡102是ψCW(x)。放大視圖104展示相位條紋。每個(gè)條紋對(duì)應(yīng)于λCW的光學(xué)距離。較低的ψD(x)痕跡是兩個(gè)不同的Δ值。箭頭106、110指出相位交點(diǎn)。垂直軸以弧度為單位。當(dāng)掃描基準(zhǔn)反射鏡的時(shí)候，低相干性外差信號(hào)的相位用下式給出
ψLC(x)]]>=mod2π(arg(RLC,1ei2kLC(x-x1)e-(2a(x-x1))2+RLC,2ei2kLC(x-x2)e-(2a(x-x2))2))]]>≈hc(x-x1)mod2π(2kLC(x-x1))+hc(x-x2)mod2π(2kLC(x-x2)),---(3)]]>其中RLCj是在低相干性波長(zhǎng)下界面j的反射率，k是光學(xué)波數(shù)，a＝4ln(2)/lc，lc是相干長(zhǎng)度，x是基準(zhǔn)反射鏡到分光鏡的距離，hc(x)是分段連續(xù)函數(shù)，|x|＜2lc時(shí)，其數(shù)值為1，否則為0。指數(shù)中的因子2是由于在回射幾何學(xué)中光程被有效地加倍。公式3反映由于噪聲不能測(cè)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相干性包絡(luò)線的相位這一事實(shí)。雖然建立模型的相干性包絡(luò)線在輪廓上是高斯型的，但是同樣的相位處理對(duì)于任何緩慢變化的包絡(luò)線的輪廓都是有效的。
CW外差信號(hào)的相位是用下式給出的ψcw(x)=mod2π(arg(Rcw,1ei2kcw(x-x1)+Rcw,2ei2kcw(x-(x1+n1550nmL)))]]>=mod2π(arg(R‾ei2kcw(x-x‾)))=mod2π(2kcw(x-x‾)),]]>(4)其中RCWj是界面j在CW波長(zhǎng)下的反射率，n1550nm是樣品的折射指數(shù)，R和X分別是有效平均反射率和到分光鏡的有效平均距離。如果兩個(gè)光源中心波長(zhǎng)是這樣選定的，以致kLC＝2kCW+Δ，(5)其中Δ是小的有意附加的偏移，那么這種形式的差相位ψD被獲得ψD(x)＝ψLC(x)-2ψcw(x)＝hc(x-x1)mod2π(4kcw(x-x1)+2Δ(x-x1))(6)+hc(x-x2)mod2π(4kcw(x-x2)+2Δ(x-x2))上述的量提供在間隔(x2-x1)中條紋的大體數(shù)目和提供亞波長(zhǎng)精度的分?jǐn)?shù)條紋兩者。
當(dāng)參數(shù)Δ被少量改變時(shí)(對(duì)應(yīng)于大約1-2nm的波長(zhǎng)偏移)，ψD(x)的斜率圍繞x＝x1和x＝x2的點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。換句話說，在不同的Δ值與所述點(diǎn)相交的地方掃描相位。從x1到x2的光學(xué)距離能通過計(jì)算ψCW(x)在兩個(gè)相位交點(diǎn)之間經(jīng)過的條紋找出來。如此找到的數(shù)量的兩倍用非整數(shù)Sfringe指出，而且對(duì)應(yīng)于低相干波長(zhǎng)下的條紋數(shù)目。就單一界面而言，若出現(xiàn)多個(gè)相位交點(diǎn)，與界面位置相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)能通過以多個(gè)附加的Δ值進(jìn)行多樣的掃描找出來。界面位置是唯一的位置，在該位置ψD(x)對(duì)于所有的Δ值都將相交。
相位偏移信息用來進(jìn)一步使界面間距定域。明確地說，在x＝x1和x＝x2處的相位偏移之間的差是Sphase=mod2π(ψD(x=x1)-ψD(x=x2))2π=mod2π(4kcw(x2-x1))2π·---(7)]]>這用高靈敏度測(cè)量分?jǐn)?shù)條紋。
絕對(duì)的光學(xué)間距(x2-x1)能通過下面的公式精確地從Sfringe和SPhase確定(x2-x1)measured=(n775nmL)measured=]]>λcw4([int(Sfringe)+U(ΔS-12)-U(-ΔS-12)]+Sphase)]]>(8)其中ΔS＝rEs(Sfringe)-SPhase，U()是單位步驟函數(shù)。在這里，int()和res()分別表示自變量的整數(shù)部分和分?jǐn)?shù)部份。第一項(xiàng)通過將SPhase和Sfringe的分?jǐn)?shù)部分之間的誤差減到最小以定域光學(xué)距離到條紋的正確的整數(shù)數(shù)目。光學(xué)間距測(cè)定誤差僅僅受SPhase的測(cè)量誤差限制。在實(shí)施方案中，這樣的誤差轉(zhuǎn)換到在大約0.5nm的(n775nmL)measued中的誤差。SPhase的測(cè)量誤差只需要小于半個(gè)條紋，以便正確的干涉條紋能被建立；滿足了這個(gè)判據(jù)，它不進(jìn)入(n775nmL)measued的誤差。最大的可測(cè)量的光學(xué)距離僅僅取決于系統(tǒng)準(zhǔn)確地?cái)?shù)出在兩個(gè)交點(diǎn)之間的條紋數(shù)目的能力和光源的頻率穩(wěn)定性。
上述公式是用來發(fā)現(xiàn)正確條紋和分?jǐn)?shù)條紋的方法的精練表達(dá)。操作能通過下面的實(shí)施例和展示通過選擇使基于SPhase和Sfringe之間的估計(jì)誤差最小的數(shù)值確定正確估計(jì)的圖5來舉例說明。假定Sfringe和SPhase是26.7和0.111。從SPhase的測(cè)量結(jié)果，光學(xué)距離的數(shù)值是(n775nmL)measued＝λCW(a+0.111)/4(9)其中a是整數(shù)。給出Sfringe的數(shù)值，可能的(n775nmL)measued數(shù)值限定在下列三個(gè)數(shù)值λCW(25.111)/4、λCW(26.111)/4和λCW(27.111)/4。如果λCW(27.111)/4的數(shù)值最接近λCW(Sfringe)/4，那么它就是(n775nmL)measued的正確估計(jì)。
在用于諧波關(guān)系光源為基礎(chǔ)的干涉測(cè)量法測(cè)量的優(yōu)選實(shí)施方案中，適當(dāng)?shù)剡x定的光源對(duì)和推斷出差相位的方法允許最小化并優(yōu)選消除干涉儀中以別的方式使高精度光學(xué)距離測(cè)量變成不可能的抖動(dòng)效應(yīng)。消除抖動(dòng)還允許比較在不同時(shí)間完成的掃描。
為了證明該方法的優(yōu)選實(shí)施方案的能力，所述系統(tǒng)被用來探察實(shí)際厚度L＝237±3μm的熔凝石英蓋玻片的頂部表面和底部表面之間的光學(xué)距離。在這個(gè)實(shí)施方案中，存在與來自第一界面的反射相關(guān)聯(lián)的π相位偏移，這標(biāo)志正折射指數(shù)躍遷。因此，在公式1和2中有與因子RLC，1和Rcw，1相關(guān)聯(lián)的e-iπ項(xiàng)。這導(dǎo)致關(guān)于Sfringe和SPhase的二分之一的校正因子。圖4展示在773.0nm和777.0nm的LC波長(zhǎng)下典型的掃描結(jié)果。四組掃描結(jié)果被概括在表示關(guān)于石英蓋玻片的(n775nmL)的測(cè)量結(jié)果的表1中。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性表明光源在頻率方面是足夠穩(wěn)定的。
表1

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生有亞納米精度的絕對(duì)光學(xué)距離測(cè)量結(jié)果。所發(fā)現(xiàn)的光學(xué)距離與低相干光源相關(guān)聯(lián)。CW外差信號(hào)充當(dāng)光學(xué)標(biāo)尺。如果石英蓋玻片的L是精確地已知的，那么石英在775.0nm波長(zhǎng)下的n775nm就能從(n775nmL)measued以非常高的準(zhǔn)確度確定。
作為替代，不知道L的精確數(shù)值，在兩個(gè)不同的波長(zhǎng)下折射指數(shù)比能通過使用在這些波長(zhǎng)下的低相干光波和在它們各自的諧波下的CW光波測(cè)量對(duì)應(yīng)的光學(xué)距離來確定。使用一系列低相干性波長(zhǎng)，材料的色散分布圖能被準(zhǔn)確地確定。色散分布圖把各種不同波長(zhǎng)下的折射指數(shù)差繪成圖。依照優(yōu)選的實(shí)施方案，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)大約七位有效數(shù)字的精確度能用大約1毫米厚的樣品實(shí)現(xiàn)。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)的光源改為以1550.0nm發(fā)射的低相干性超級(jí)發(fā)光二極管(SLD)和以775.0nm發(fā)射的CWTi藍(lán)寶石激光器。通過調(diào)節(jié)通過SLD的工作電流，中心波長(zhǎng)被改變大約2nm；這適合實(shí)現(xiàn)相位相交。使用本發(fā)明系統(tǒng)的所述優(yōu)選實(shí)施方案，光學(xué)距離能在1550.0nm測(cè)量。采用所述測(cè)量結(jié)果與前面的測(cè)量結(jié)果之比，石英的折射指數(shù)比n775nm/n1550nm能被確定。人們應(yīng)該注意到所發(fā)現(xiàn)的折射指數(shù)比由于在所述優(yōu)選實(shí)施方案中所用的光源適合于諧波關(guān)系波長(zhǎng)。其它波長(zhǎng)的折射指數(shù)比能用適當(dāng)選擇的其它光源測(cè)量。為了比較，玻璃和丙烯酸塑料對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)被列于表2中作為不同材料的n775nm/n1550nm的測(cè)量結(jié)果。
表2

請(qǐng)注意，當(dāng)?shù)拖喔尚圆ㄩL(zhǎng)是CW波長(zhǎng)的一半的時(shí)候所用的一些公式略微不同于先前在此出現(xiàn)的公式。例如ψLC(x)]]>=mod2π(arg(RLC,1ei2kLC(x-x1)e-(2lc(x-x1))2+RLC,2ei2kLC(x-x2)e-(2lc(x-x2))2))]]>≈hc(x-x1)mod2π(2kLC(x-x1))+hc(x-x2)mod2π(2kLC(x-x2)),---(10)]]>ψcw(x)=mod2π(arg(Rcw,1ei2kcw(x-x1)+Rcw,2ei2kcw(x-(x1+n1550nmL)))]]>=mod2π(arg(R‾ei2kcw(x-x‾)))=mod2π(2kcw(x-x‾)),---(11)]]>2kLC＝kCW+Δ (12)ψD(x)＝2ψLC(x)-ψcw(x)＝hc(x-x1)mod2π(4kLC(x-x1)+2Δ(x-x1))(13)+hc(x-x2)mod2π(4kLC(x-x2)+2Δ(x-x2))
Sphase=mod2π(ψD(x=x1)-ψD(x=x2))2π=mod2π(4kLC(x2-x1))2π·---(14)]]>(x2-x1)measured=(n775nmL)measured]]>=λLC4([int(Sfringe)+U(ΔS-12)-U(-ΔS-12)]+Sphase)---(15)]]>用來解決2π模糊度的方法的優(yōu)選實(shí)施方案在諸如高精度深度測(cè)距和薄膜固態(tài)材料的高精度折射指數(shù)確定之類的應(yīng)用中是非常有用的。
優(yōu)選方法的使用能通過考慮玻璃平板來舉例說明。有一些能非常準(zhǔn)確地測(cè)量從系統(tǒng)到玻璃平板平均中心的距離的系統(tǒng)。還有一些能非常準(zhǔn)確地測(cè)量玻璃表面粗糙程度的系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案以納米靈敏度測(cè)量玻璃平板端面的厚度。
落實(shí)用來確定光學(xué)距離的方法的優(yōu)選實(shí)施方案的步驟是用圖6A和6B中的流程圖124舉例說明的。方法124包括在Michelson干涉儀中使用兩個(gè)諧波關(guān)系光源，其中一個(gè)是CW光源，而另一個(gè)是低相干光源。需要測(cè)量其界面之間的光學(xué)距離的樣品每逢步驟126都被用作干涉儀信號(hào)臂的末端反射鏡。干涉儀基準(zhǔn)臂中的基準(zhǔn)反射鏡每逢步驟128都被掃描。該方法包括把來自信號(hào)臂和基準(zhǔn)臂的反射合并然后按照波長(zhǎng)分開的步驟130。進(jìn)而，每逢步驟132探測(cè)組合光波強(qiáng)度的外差振蕩。然后，每逢步驟134借助，例如，Hilbert變換或任何相位推斷出替代方法找出兩種波長(zhǎng)的外差信號(hào)的相位。每逢步驟136都通過從較短波長(zhǎng)的相位兩次減去較長(zhǎng)波長(zhǎng)的相位估算整個(gè)掃描的差相位。每逢步驟137都用被略微失諧的光波波長(zhǎng)重復(fù)掃描。然后，重復(fù)步驟130-136。
然后，每逢步驟138都把從兩次掃描發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)差相位重疊在用x軸表示基準(zhǔn)反射鏡的位移的曲線圖上。人們應(yīng)該注意到，差相位的推斷出也能用適當(dāng)?shù)墓庠椿驗(yàn)V色鏡或?qū)我粧呙璧能浖?硬件信號(hào)處理來完成。
在方法124中接下來的步驟包括每逢140步驟在曲線圖上確定相位交點(diǎn)以便標(biāo)出樣品界面的位置。每逢步驟142，通過計(jì)算與CW光波相關(guān)聯(lián)的外差信號(hào)在兩個(gè)交點(diǎn)之間用2π疊起的次數(shù)，以大約達(dá)到波長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)(例如，大約0.2)的準(zhǔn)確性確定界面之間的光學(xué)間距。通過測(cè)量在交點(diǎn)的差相位，進(jìn)一步使該間距定域和/或精煉到波長(zhǎng)的非常小的分?jǐn)?shù)，例如，大約0.001。
在用作為測(cè)量光學(xué)距離的系統(tǒng)的示意圖的圖7舉例說明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，低相干光源在帶寬方面可能是足夠?qū)挼?，例如，超過4nm。在探測(cè)結(jié)束時(shí)，為兩個(gè)探測(cè)器166、176增添第三個(gè)探測(cè)器174。這導(dǎo)致低相干性光波信號(hào)168被進(jìn)一步一分為二。在到達(dá)探測(cè)器之前，兩個(gè)光束通過不同的濾波器170、172。這兩個(gè)濾波器傳輸光譜中的不同部份。一個(gè)讓波長(zhǎng)較長(zhǎng)的頻譜組份通過，而第二個(gè)讓波長(zhǎng)較短的頻譜組份通過。優(yōu)選的是兩個(gè)透射光束在它們的光譜方面被分開2nm以上。
然后，光束入射到探測(cè)器上，而且它們的外差信號(hào)以參照?qǐng)D1討論過的方式進(jìn)行處理。依照其它可能的優(yōu)選實(shí)施方案的方法的優(yōu)勢(shì)在于該方法用經(jīng)過調(diào)節(jié)的低相干性波長(zhǎng)消除程序的重復(fù)。這兩個(gè)信號(hào)是在同一次掃描中獲得的。
圖8A和8B舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案測(cè)量光學(xué)距離的替代方法的流程圖184。方法184包括在干涉儀中使用兩個(gè)諧波關(guān)系光源，其中一個(gè)是CW光源，而另一個(gè)是低相干光源。每逢步驟186，需要測(cè)量光學(xué)距離的樣品都被用作干涉儀信號(hào)臂的末端反射鏡。每逢步驟188，干涉儀基準(zhǔn)臂中的基準(zhǔn)反射鏡都被掃描。該方法進(jìn)一步包括每逢步驟190把來自信號(hào)臂和基準(zhǔn)臂的反射合并然后按照波長(zhǎng)把它們分開。每逢步驟192，使用濾波器把低相干性波長(zhǎng)進(jìn)一步分開。方法184包括用至少三個(gè)探測(cè)器探測(cè)外差振蕩的步驟194。下一個(gè)步驟196包括探測(cè)組合光波強(qiáng)度的外差振動(dòng)。然后，每逢步驟198都借助，例如，Hilbert變換或任何相位推斷出替代方法找出兩個(gè)波長(zhǎng)的外差信號(hào)的相位。然后，每逢步驟200，都算出每個(gè)低相干性信號(hào)與CW信號(hào)的差相位。
然后，每逢步驟202，都在曲線圖中表示基準(zhǔn)反射鏡的位移的x-軸上把兩個(gè)差相位彼此重疊。剩余的步驟204、206、208類似于參照?qǐng)D6B討論過的步驟140、142、144。
該方法的優(yōu)選實(shí)施方案絕對(duì)能用來以亞納米精度測(cè)量任意長(zhǎng)的光學(xué)距離。該系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案能以自由空間為基礎(chǔ)或以光纖為基礎(chǔ)。圖9舉例說明以光纖為基礎(chǔ)測(cè)量光學(xué)距離的系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案。
輸入光波256包括在光纖251中傳播的近似諧波關(guān)系低相干性光波(波長(zhǎng)λ1)和CW光束(波長(zhǎng)λ2)。復(fù)合光束被一分為二，一部分信號(hào)入射到目標(biāo)透鏡254和樣品256上并且在光纖253中傳輸，而另一部分信號(hào)經(jīng)由透鏡268入射到基準(zhǔn)反射鏡266上并且在光纖251中傳輸?；鶞?zhǔn)反射鏡的運(yùn)動(dòng)在反射光束上引進(jìn)多普勒偏移。反射光束被再次合并，然后，借助二向色鏡258被分成它們的組成波長(zhǎng)組份。所述波長(zhǎng)組份是借助光電探測(cè)器260、262分開測(cè)量的。這些在它們各自的多普勒偏移頻率下產(chǎn)生的外差信號(hào)有在它們各自的中心外差頻率周圍的通頻帶，而且被完成Hilbert變換，以便推斷出外差信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位ψCW和ψLC。
優(yōu)選實(shí)施方案的方法能用來進(jìn)行精確的光學(xué)距離測(cè)量。依據(jù)這樣的測(cè)量，目標(biāo)物體的光學(xué)性質(zhì)能被精確地測(cè)定。通過測(cè)量目標(biāo)的色散分布圖，目標(biāo)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和/或化學(xué)性質(zhì)能被算出。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案能用來以非接觸和非侵入的方式精確地確定生物學(xué)組織的色散性質(zhì)。這樣的色散測(cè)定能用在眼睛的角膜或水樣液上。所實(shí)現(xiàn)的靈敏度足以探測(cè)依葡萄糖濃度而定的光學(xué)變化。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，血糖水平能通過非侵入式測(cè)量眼睛的水樣液或玻璃液或角膜的色散分布圖來確定。
如同上文討論的那樣，基于相位的干涉測(cè)量法能夠非常靈敏地測(cè)量光學(xué)距離。然而，所述測(cè)量法在它們的應(yīng)用方面受到例如2π模糊度之類的在該領(lǐng)域中眾所周知的問題的限制。這個(gè)問題的癥結(jié)在于不可能把10.1個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度與11.1個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度區(qū)分開。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案克服了這個(gè)限制而且允許亞納米準(zhǔn)確度的絕對(duì)光學(xué)距離測(cè)量。
有許多以近似納米范圍的靈敏度測(cè)量光學(xué)距離變化的基于相位的方法。只要這種變化很小而且是漸進(jìn)的，所述變化就能被連續(xù)地跟蹤。存在測(cè)量絕對(duì)光學(xué)距離的低相干性方法，所述方法通過跟蹤到達(dá)從反射鏡靈敏度大約為數(shù)微米的不同的界面反射的光波的探測(cè)器的延遲來測(cè)量絕對(duì)光學(xué)距離。如同上文討論的那樣，在干涉儀中CW光源和低相干光源的同時(shí)使用為測(cè)量光學(xué)距離的方法創(chuàng)造條件。與兩種波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)的外差相位本質(zhì)上是相關(guān)的。通過處理每個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的相位，運(yùn)動(dòng)噪聲被減到最小并且優(yōu)選從我們的測(cè)量中消除。
優(yōu)選實(shí)施方案的應(yīng)用是使用眼睛的玻璃體液和/或水樣液的折射指數(shù)的測(cè)量結(jié)果確定葡萄糖水平。這種技術(shù)的靈敏度提供以臨床上恰當(dāng)?shù)撵`敏度測(cè)量化學(xué)濃度的能力。優(yōu)選實(shí)施方案的方法的比較明顯的應(yīng)用之一是通過在眼睛上完成的測(cè)量確定血糖水平。眼睛中流體的葡萄糖水平用臨床上無關(guān)緊要的時(shí)間延遲反映血液的葡萄糖水平。
優(yōu)選實(shí)施方案的方法使用圖10舉例說明的至少兩個(gè)分開的波長(zhǎng)組測(cè)量眼睛中的玻璃體液和/或水樣液層的光程長(zhǎng)度。該方法測(cè)量低相干性波長(zhǎng)下的折射指數(shù)和兩個(gè)界面之間的實(shí)際間距的乘積。通過改變低相干光源的波長(zhǎng)(而且為了匹配適當(dāng)?shù)馗淖僀W波長(zhǎng))，以不同的波長(zhǎng)測(cè)量折射指數(shù)差。例如，一組測(cè)量是用可調(diào)諧的500nm的低相干光源和1微米的CW光源完成的，以便析取n500nmL，其中L是玻璃體液和/或水樣液在測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際厚度。另一組測(cè)量是用可調(diào)諧的1000nm的低相干光源和1800nm的CW光源完成的，以便析取n900nmL。通過取得這兩個(gè)測(cè)量結(jié)果的比，玻璃體液和/或水樣液的折射指數(shù)比n500nm/n900nm被推斷出。采用現(xiàn)有的靈敏度，例如，0.5nm光程靈敏度，該系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案能針對(duì)厚度與人類的玻璃體液和/或水樣液的材料測(cè)量靈敏度為10-8的折射指數(shù)比n500nm/n900nm。這把該靈敏度提供給大約0.25毫克/分升的葡萄糖水平變化。假定典型的血糖水平是大約100毫克/分升，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案非常適合血糖化驗(yàn)。光學(xué)波長(zhǎng)的選擇是靈活的，以上使用的波長(zhǎng)只是為了舉例說明。就最高的靈敏度而言，波長(zhǎng)間隔優(yōu)選盡可能大。優(yōu)選實(shí)施方案包括大于500nm的間隔。
在這樣的折射指數(shù)比由于在玻璃體液和/或水樣液中出現(xiàn)正在變化的其它化學(xué)藥品不足以確定絕對(duì)血糖水平的情況下，更完全的一系列光程長(zhǎng)度測(cè)量能在一系列其它波長(zhǎng)下進(jìn)行。這組更完全的測(cè)量結(jié)果允許通過使測(cè)量結(jié)果與已知的葡萄糖和其它化學(xué)藥品的色散分布圖擬合確定葡萄糖水平和其它化學(xué)的濃度。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案能作為測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體制造業(yè)。因?yàn)樗龇椒ǖ膬?yōu)選實(shí)施方案是非接觸性的和非破壞性的，所以它能用來在制造過程中監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的厚度。除此之外，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的組成能以與就玻璃體液和/或水樣液測(cè)量的特色討論的同樣多的方式進(jìn)行化驗(yàn)。
相位測(cè)量和成像系統(tǒng)本發(fā)明的其它可能的優(yōu)選實(shí)施方案涉及用光波使小的生物體或特征成像。這些實(shí)施方案能應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，例如，細(xì)胞生理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)。這些優(yōu)選實(shí)施方案以相位測(cè)量和成像技術(shù)的原理為基礎(chǔ)。使用相位測(cè)量和成像技術(shù)的科學(xué)動(dòng)機(jī)起源于，例如，能沒有限制地包括發(fā)育異常、細(xì)胞通訊、神經(jīng)元傳輸和遺傳密碼執(zhí)行的成像起因的亞微米水平的細(xì)胞生物學(xué)。亞細(xì)胞組份的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)現(xiàn)在不能使用現(xiàn)有的方法和技術(shù)(包括，例如，X射線和中子的散射)以它們的自然狀態(tài)進(jìn)行研究。反之，以光波基礎(chǔ)的納米級(jí)分辨率的技術(shù)使細(xì)胞機(jī)器能夠以其自然狀態(tài)進(jìn)行研究。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括以干涉測(cè)量法和/或相位測(cè)量的原理為基礎(chǔ)的系統(tǒng)并且被用來研究細(xì)胞生理學(xué)。這些系統(tǒng)包括使用光學(xué)干涉儀測(cè)量相位的低相干性干涉測(cè)量法(LCI)或其中使用細(xì)胞組份本身之內(nèi)的干涉的光波散射光譜學(xué)(LSS)的原理，或在替代方案中LCI和LSS的原理能在本發(fā)明的系統(tǒng)中合并。
用于相位測(cè)量和成像系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案包括主動(dòng)穩(wěn)定的干涉儀、隔離干涉儀、共向光程干涉儀和提供差動(dòng)測(cè)量的干涉儀。涉及差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施方案包括兩點(diǎn)外差干涉儀和雙光束干涉儀。使用共向光程干涉儀的實(shí)施方案能包括使用空間光波調(diào)制的相襯顯微鏡。
光學(xué)低相干性干涉測(cè)量法(LCI)已經(jīng)在生物媒介物的研究方面找到許多應(yīng)用。最廣泛使用的LCI技術(shù)是使生物樣品的2D或3D反向散射輪廓成像的光學(xué)相干斷層攝影術(shù)(OCT)。Drexder，W.等人已經(jīng)在“In vivo ultrahigh-resolution optical Coherencetomography”(Optics Letters，Volume 24，No.17，pages 1221-1223)中描述過LCI技術(shù)，在此通過引證將其全部教導(dǎo)并入。OCT有受所用光源的相干長(zhǎng)度限制的深度靈敏度。超寬帶光源已能分辨大約1微米的尺寸特征。
相敏低相干性干涉測(cè)量法對(duì)樣品亞波長(zhǎng)光程的變化是敏感的。相敏LCI的主要困難是在干涉儀雙臂中光程變動(dòng)造成的相位噪聲。通過幾乎同一光程的不同波長(zhǎng)的激光束能用來測(cè)量干涉儀相位噪聲，然后把所述相位噪聲從有類似的噪聲的樣品信號(hào)中減去，以便析取真實(shí)的樣品相位偏移。其它的研究員已經(jīng)使用沿著共向光程正交的激光偏振來測(cè)量高相位靈敏度的微分相襯或雙折射。在這兩種技術(shù)中，都掃描基準(zhǔn)臂路徑，而且需要計(jì)算機(jī)計(jì)算，以便從由此產(chǎn)生的條紋數(shù)據(jù)(經(jīng)由Hilbert變換)推斷出相位；除此之外，必須使用相位展開算法消除相位測(cè)量中的2π模糊度。條紋掃描和信息處理程序?qū)嵸|(zhì)上降低測(cè)量速度而且可能增加噪聲。
包括主動(dòng)穩(wěn)定的干涉儀的系統(tǒng)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案使用LCI方法，其中干涉儀借助基準(zhǔn)光束的主動(dòng)穩(wěn)定允許以高帶寬和最少的計(jì)算機(jī)處理不間斷地探測(cè)非常小的相位偏移。鎖定在任意相位角的基準(zhǔn)光束在沒有基準(zhǔn)臂掃描的情況下給出直接的樣品相位測(cè)量結(jié)果。優(yōu)選的實(shí)施方案提供二維和三維相位成像。
優(yōu)選的實(shí)施方案依賴Michelson干涉儀借助基準(zhǔn)激光束的主動(dòng)穩(wěn)定。主動(dòng)穩(wěn)定的干涉儀300的優(yōu)選實(shí)施方案的示意圖被展示在圖11中。主動(dòng)穩(wěn)定的Michelson干涉儀系統(tǒng)300包括反射鏡306；移動(dòng)反射鏡310；分光鏡304；相位調(diào)制器308；探測(cè)器318；本地振蕩源320、322；混頻器316和求和放大器312。被分光鏡304分開的連續(xù)波激光束橫越兩個(gè)干涉儀臂并且在探測(cè)器318處被重新組合。干涉儀的一個(gè)臂包含相位調(diào)制元件308，例如光電調(diào)制器或安裝在壓電轉(zhuǎn)換器上的反射鏡。對(duì)光程差的大幅度調(diào)節(jié)可以借助平移反射鏡310或任何其它可變的光學(xué)延遲線來完成。處理裝置(例如，計(jì)算機(jī)315)與用來提供反饋和處理相位偏移測(cè)量結(jié)果的電子器件通信。電子圖像顯示器317用來顯示相位偏移和相關(guān)的圖像。
兩個(gè)干涉儀臂之間的相位差是按正弦曲線調(diào)制的φ＝ψ+ψdsin(Ωt) (16)其中ψ＝k(L1-L2)＝kΔL是兩個(gè)臂之間的相位差，ψd＜2π是調(diào)制深度，而Ω是調(diào)制頻率。被探測(cè)的干涉儀信號(hào)是用來自干涉儀兩個(gè)臂的光束的相干加法給出的I＝I1+I2+2(I1I2)1/2cosφ(17)I和φ之間的非線性關(guān)系導(dǎo)致被探測(cè)的信號(hào)有在調(diào)制頻率Ω的許多諧波頻率下的組份。第一(IΩ)和第二(I2Ω)諧波項(xiàng)是用下式給出的IΩ＝4J1(ψd)(I1I2)1/2sinψsin(Ωt) (18)I2Ω＝4J2(ψd)(I1I2)1/2cosψcos(2Ωt) (19)
IΩ和I2Ω分別按Ω和2Ω解調(diào)是借助混頻器316或鎖定放大器完成的，而且兩個(gè)信號(hào)都作為ψ的函數(shù)被放大，以便給出相等的振幅V1＝V0sinψ(20)V2＝V0cosψ(21)使用模擬或數(shù)字電路，線性組合V0是用隨時(shí)間變化的參數(shù)θ計(jì)算的Vθ＝cosθ*V1-sinθ*V2＝V0sin(ψ-θ) (22)這個(gè)信號(hào)被用作誤差信號(hào)把干涉儀鎖定在有正斜率的任何零交點(diǎn)。Vθ(t)在被反饋到相位調(diào)制器(高頻)和路徑長(zhǎng)度調(diào)制器(低頻)之前被積分、濾波和放大以便主動(dòng)消除干涉儀噪聲。線性組合Vθ(t)被用作誤差信號(hào)以便允許鎖定到任意相位θ。
穩(wěn)定的干涉儀可以如同在此描述的那樣與相敏低相干性干涉測(cè)量法結(jié)合。在此被描述的系統(tǒng)組件全部可以借助自由空間光學(xué)系統(tǒng)或光纖光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。為了清楚，例證展示自由空間光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
用于光學(xué)延遲相敏LCI的靠基準(zhǔn)光束穩(wěn)定的干涉儀的示意圖展示在圖12中。來自低相干光源的光束353在穩(wěn)定的干涉儀中通過與鎖定光束355相同的路徑。通過改變干涉儀兩個(gè)臂之間的(穩(wěn)定)路徑長(zhǎng)度差，準(zhǔn)備由按干涉儀鎖定調(diào)制頻率調(diào)制的其間有非常穩(wěn)定的連續(xù)可變的光程延遲的兩份LC光束“副本”之和組成的輸出光束。
樣品382被放在蓋玻片上，該蓋玻片已在與樣品接觸的側(cè)面上涂上一層防LC波長(zhǎng)反射的涂層。LC光束是借助顯微鏡物鏡380通過蓋玻片和樣品聚焦的。反向散射光波是用同一光學(xué)系統(tǒng)收集的并且聚焦在探測(cè)器366上。被探測(cè)的信號(hào)是反向散射掃描電磁場(chǎng)與時(shí)間延遲ΔL/c的自相關(guān)。它能被展示，以便顯示在零延遲和與圖13舉例說明的依照到樣品臂中的數(shù)對(duì)散射或反射表面之間的兩倍光程長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)的延遲下的干涉圖。具體地說，蓋玻片沒有涂層的側(cè)面位于距離樣品大約一個(gè)蓋玻片厚度d的位置；來自樣品的干涉信號(hào)在玻璃的折射指數(shù)為n的情況下是按光程延遲nd看到的。
由于ΔL＝～2nd，樣品信號(hào)借助混頻器或鎖定放大器按調(diào)制頻率被解調(diào)，提供樣品相位的連續(xù)測(cè)量。為了鎖定解調(diào)的低相干性信號(hào)中的零交點(diǎn)，干涉儀鎖定相位θ可以依次用電子學(xué)方法改變。以所述方式，干涉儀鎖定相位的時(shí)間進(jìn)展被用作樣品相位的直接測(cè)量。所述鎖定方案有獨(dú)立于樣品信號(hào)的振幅的優(yōu)勢(shì)。
所述系統(tǒng)依照優(yōu)選實(shí)施方案類似于雙光束光學(xué)計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)(OCT)技術(shù)，因?yàn)楣鈱W(xué)延遲在低相干性光波進(jìn)入樣品之前已準(zhǔn)備好，而且被探測(cè)的信號(hào)對(duì)樣品和干涉儀之間的距離變化是不敏感的。在其它可能的優(yōu)選實(shí)施方案中，也可以使用Mach-Zender干涉儀配置準(zhǔn)備低相干性光束。
通過把可變的衰減器引入干涉儀的一個(gè)或兩個(gè)臂，兩個(gè)時(shí)間延遲的電磁場(chǎng)的相對(duì)振幅能為了優(yōu)化干涉信號(hào)而被調(diào)制。
靠基準(zhǔn)光束穩(wěn)定的相敏的LCI的示意圖被展示在圖14A中。該系統(tǒng)組件與圖11類似，但是用蓋玻片430上的樣品代替干涉儀的一個(gè)反射鏡。來自兩個(gè)低相干光源(LC1和LC2)的兩個(gè)光束422、424是干涉儀輸入端上的入射光束?；鶞?zhǔn)光束有相當(dāng)于或大于蓋玻片厚度(例如，大約150微米)的相干長(zhǎng)度。蓋玻片反射被用來鎖定干涉儀。短的相干長(zhǎng)度的基準(zhǔn)光束防止干涉儀鎖定受來自顯微鏡物鏡和其它表面的虛假反射的影響。
為了區(qū)分樣品表面和后表面的反射，信號(hào)光束有比蓋玻片厚度小好幾倍的相干長(zhǎng)度?；鶞?zhǔn)臂長(zhǎng)度是為了給出來自樣品的干涉圖而被調(diào)節(jié)的，而且如同先前描述的那樣，該信號(hào)是為了給出圖15A和15B舉例說明的樣品相位而被解調(diào)的。干涉儀關(guān)于蓋玻片無涂層側(cè)面的鎖定導(dǎo)致與這個(gè)界面相關(guān)的樣品相位測(cè)量，而且?guī)缀跖懦型獠康母缮鎯x噪聲。
與參照?qǐng)D11描述的光學(xué)延遲方法比較，這個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案有信號(hào)光束和基準(zhǔn)光束兩者都作為樣品上的入射光束的缺點(diǎn)。對(duì)于生物材料，尤其是活細(xì)胞，這或許限制可能使用的基準(zhǔn)光束功率，從而導(dǎo)致降低鎖定質(zhì)量。另一方面，掃描基準(zhǔn)反射鏡允許更直截了當(dāng)?shù)乇嬲J(rèn)來自樣品的反射。諸如計(jì)算機(jī)453之類的處理裝置與用來提供反饋和處理相位偏移測(cè)量結(jié)果的電子器件通信。電子圖像顯示器455用來顯示相位偏移和相關(guān)的圖像。
優(yōu)選的實(shí)施方案能使用兩種方法使某個(gè)區(qū)域上的樣品相位成像。在優(yōu)選的第一種方法中，入射光束可以如同在大多數(shù)OCT設(shè)備中那樣沿著X-Y方向在樣品上掃描。在包括靠基準(zhǔn)光束穩(wěn)定的LCI的實(shí)施方案中，務(wù)必在光束掃描的時(shí)候維持基準(zhǔn)光束干涉儀鎖定。依照第二種方法，電荷耦合器件(CCD)或光電二極管陣列可以用來探測(cè)這些信號(hào)而不需要掃描。圖16舉例說明用于穩(wěn)定的相敏LCI的成像系統(tǒng)500。這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)用來照明擴(kuò)大范圍的區(qū)域并且使散射光在探測(cè)器上成像。圖17舉例說明系統(tǒng)配置的簡(jiǎn)化的展開方案，以便依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明光學(xué)設(shè)計(jì)。實(shí)線表示入射光線，而虛線表示反向散射光線。
就CCD成像而言，相對(duì)相位的測(cè)量可以通過分析4幅圖像的序列完成，每幅都在相位方面不同于前一幅，相差π/2。圖14B舉例說明在用于依照本發(fā)明使用帶壓電轉(zhuǎn)換器(PZT)461的反射鏡產(chǎn)生相位偏移的主動(dòng)穩(wěn)定的相敏低相干性干涉測(cè)量法的系統(tǒng)中使用CCD成像的實(shí)施方案。電路469是用來使用PZT產(chǎn)生相位偏移的電子器件和用于探測(cè)相位偏移的電子器件。CCD是被集成到一片緊湊的電子芯片之中的象素陣列。本身與諸如計(jì)算機(jī)478之類的處理裝置連接的CCD控制器477與CCD通信。圖像顯示器479用來顯示相位偏移和相關(guān)的圖像。
對(duì)于高帶寬相位成像，來自光電二極管陣列的信號(hào)可以按第一諧波和第二諧波個(gè)別地解調(diào)；這允許明確地測(cè)量每個(gè)象素的相位。
本發(fā)明的干涉測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案的較高的靈敏度和帶寬為在生物學(xué)的或非生物學(xué)的媒介物中測(cè)量小的光學(xué)相位偏移提供新的可能性。例如，這些優(yōu)選實(shí)施方案能研究細(xì)胞膜的運(yùn)動(dòng)和波動(dòng)。雙波長(zhǎng)的相敏LCI已經(jīng)用來觀察人類結(jié)腸細(xì)胞培養(yǎng)物的細(xì)胞體積調(diào)節(jié)和膜動(dòng)力學(xué)。最近，已在培養(yǎng)物中添加疊氮化鈉之后觀察到細(xì)胞膜的低頻振蕩。優(yōu)選的LCI實(shí)施方案允許按較小的時(shí)間刻度研究膜動(dòng)力學(xué)，在這種情況下熱驅(qū)動(dòng)的波動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)可能是更重要的。依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的二維成像方法允許在收集互相影響的細(xì)胞時(shí)研究膜波動(dòng)。振蕩和相互關(guān)系能提供關(guān)于細(xì)胞發(fā)信號(hào)的信息。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案能用于神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏臏y(cè)量。在神經(jīng)科學(xué)中對(duì)于改進(jìn)的非侵入式地監(jiān)測(cè)神經(jīng)元的電信號(hào)的光學(xué)方法有很大的興趣?，F(xiàn)在的方法仰靠對(duì)鈣敏感或?qū)﹄妷好舾械娜玖?，它們有許多問題，包括壽命短、光致毒性和緩慢的響應(yīng)時(shí)間。
幾十年前人們就已經(jīng)知道動(dòng)作電位在神經(jīng)纖維和細(xì)胞體中伴有光學(xué)變化。除此之外，在刺激期間，神經(jīng)已經(jīng)表明呈現(xiàn)短暫的體積增加。這些變化已經(jīng)根據(jù)細(xì)胞膜中的相位轉(zhuǎn)變和由于細(xì)胞膜中的偶極子的重新定向造成的指數(shù)偏移得到解釋。
依照優(yōu)選實(shí)施方案的相敏LCI方法可以用來測(cè)量與動(dòng)作電位相關(guān)聯(lián)的光學(xué)和機(jī)械變化。增大的帶寬允許按大約1ms的動(dòng)作電位時(shí)標(biāo)靈敏地測(cè)量相位。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案能用來提供神經(jīng)信號(hào)的非侵入式的長(zhǎng)期測(cè)量和提供使許多神經(jīng)元同時(shí)成像的能力。這些實(shí)施方案幫助分析神經(jīng)活動(dòng)的時(shí)間空間圖式形成對(duì)于了解大腦是重要的。已知與動(dòng)作電位相伴的小的(≈10-4rad)指數(shù)偏移和膜波動(dòng)在本發(fā)明的提供高水平敏感速度和高帶寬(＞1kHz)的優(yōu)選實(shí)施方案中能被探測(cè)出來。這些實(shí)施方案使用消除噪聲的方法，例如，防止噪聲進(jìn)入的隔離法；使用反饋元件消除噪聲的穩(wěn)定法；提供不用反饋消除噪聲把噪聲影響減到最小的共向光程干涉測(cè)量法的差動(dòng)測(cè)量。
在此描述的實(shí)施方案能被用于許多醫(yī)學(xué)應(yīng)用。例如，皮層映射能在神經(jīng)外科手術(shù)期間完成，與現(xiàn)有技術(shù)的電極法相比較在速度和分辨率方面有進(jìn)步。此外，這些優(yōu)選實(shí)施方案能在神經(jīng)外科手術(shù)期間用來使癲癇焦點(diǎn)定域。這些實(shí)施方案也能監(jiān)測(cè)眼睛中的視網(wǎng)膜神經(jīng)活動(dòng)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的其它應(yīng)用包括歸因于這些實(shí)施方案提供的高速度的二維和三維掃描；光電二極管探測(cè)器提供的高動(dòng)態(tài)范圍和DC抑制；細(xì)胞生物學(xué)方面的納米級(jí)成像；上皮組織的表征和膜的振動(dòng)的探測(cè)，例如，但不限于，聽覺細(xì)胞和血管。
包括雙光束干涉儀的系統(tǒng)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括集成在傳統(tǒng)的光波顯微鏡中的以光纖為基礎(chǔ)的光學(xué)延遲相敏低相干性干涉儀。同步的電學(xué)和光學(xué)測(cè)量能在海馬神經(jīng)元的培養(yǎng)物中完成。優(yōu)選的實(shí)施方案包括包含光電二極管陣列或快速掃描光束的成像系統(tǒng)。用于光學(xué)刺激神經(jīng)元的方法與動(dòng)作電位的LCI測(cè)量相結(jié)合能形成用來研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)、突觸可塑性和神經(jīng)科學(xué)方面的其它基本問題的極其有用的新型工具。
另一個(gè)實(shí)施方案將相敏成像技術(shù)應(yīng)用于腦切片，甚至活體神經(jīng)元。跟蹤和補(bǔ)償腦表面的運(yùn)動(dòng)的是有重大意義的挑戰(zhàn)。光學(xué)散射限制可能提取神經(jīng)元信號(hào)的深度，但是大約100微米的深度可能是可能的。
在此以前描述的主動(dòng)穩(wěn)定的干涉儀的優(yōu)選實(shí)施方案已經(jīng)包括兩個(gè)波長(zhǎng)系統(tǒng)，其中第一波長(zhǎng)被用于穩(wěn)定而第二波長(zhǎng)被用于相位測(cè)量。圖18A舉例說明兩點(diǎn)式Mach-Zender外差干涉儀系統(tǒng)的示意圖，其中使用一個(gè)波長(zhǎng)。這種點(diǎn)穩(wěn)定的/基準(zhǔn)干涉儀系統(tǒng)測(cè)量通過樣品586上兩個(gè)點(diǎn)的光波的相位差。幾乎共向光程的幾何學(xué)降低干涉儀的相位噪聲。
準(zhǔn)直激光束或低相干光源被分光鏡584分成樣品586路徑和基準(zhǔn)路徑。樣品光束通過樣品586和透鏡L1(物鏡透鏡)588和在最后的分光鏡592前面的L2(管透鏡)590。透鏡L1588和L2590分別有焦距f1和f2而且構(gòu)成放大倍率M＝f2/f1的顯微鏡。這些透鏡排成一線，以致樣品586和L1588之間的距離是f1，L1和L2之間的距離是f1+f2，而成像平面位于距L2的距離為f2的位置。
基準(zhǔn)光束通過用頻率分別為ω1和ω2的射頻RF電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)聲光調(diào)制器594，AOM1和AOM2?？勺児鈾谟脕磉x擇來自AOM1的+1級(jí)衍射光束和來自AOM2的-1級(jí)衍射光束。所以，以頻率ω0在AOM1入射的光波以頻率ωR＝ω0+Ω(其中Ω＝ω1-ω2)從第二針孔射出。這種雙AOM配置是為了獲得大約100kHz的比較低的外差頻率Ω而被采用的。低的外差頻率對(duì)于高靈敏度光電探測(cè)器的使用可能是優(yōu)選的而且也有利于光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，因?yàn)樵诠馐较蚋淖兎浅Ｐ〉那闆r下，Ω可能被設(shè)定為等于零。如果需要較高的外差頻率，可以使用單個(gè)AOM。諸如計(jì)算機(jī)609和圖像顯示器611之類的處理裝置與所述系統(tǒng)通信。
頻移的基準(zhǔn)光束的頻率被分開的距離等于其焦距之和的透鏡L3598和L4600擴(kuò)展。在兩個(gè)成像平面的信號(hào)電磁場(chǎng)和基準(zhǔn)電磁場(chǎng)能以復(fù)數(shù)記號(hào)法用下式描述ES(x，y，t)＝ES0(x，y)exp[i(φs(x，y，t)+φN，S(x，y，t)-ωt)](23)ER(x，y，t)＝ER0(x，y)exp[iφN，R(x，y，t)-(ω+Ω)t] (24)在這里x和y是沿著光程的橫向坐標(biāo)，φS(x，y，t)是正在研究的樣品相位，φN，S(x，y，t)和φN，R(x，y，t)表示樣品臂和基準(zhǔn)臂中的干涉儀噪聲，而ES0(x，y)，ER0(x，y)是電磁場(chǎng)振幅輪廓，它們可能是，例如，但不限于，高斯型的。
樣品相位φS(x，y，t)可以用樣品隨時(shí)間變化的折射指數(shù)分布nS(x，y，z，t)來表達(dá)φS(x,y,t)=∫z1z2nS(x/M·,y/M,z,t)dz---(25)]]>其中z是軸向坐標(biāo)，而且積分是在樣品的深度之上完成的。請(qǐng)注意放大因子M。
在兩個(gè)成像平面的強(qiáng)度是用下式給出的I±＝|ES±ER|2＝|ES0|2+|ER0|2±2|ES0||ER0|cos[φS(x，y，t)+φN，S(x，y，t)-φN，R(x，y，t)+Ωt] (26)外差信號(hào)是用定位在位置(x1，y1)和(x2，y2)的兩個(gè)光電二極管PD 1604和PD2 606探測(cè)的。光波可能是通過光纖或針孔收集的。
被探測(cè)強(qiáng)度的AC分量是用下式給出的I1(t)＝2|ES0||ER0|cos[φS(x1，y1，t)+φN，S(x1，y1，t)-φN，R(x1，y1，t)+Ωt] (27)I2(t)＝-2|ES0||ER0|cos[φS(x2，y2，t)+φN，S(x2，y2，t)-φN，R(x2，y2，t)+Ωt] (28)然后用鎖定放大器或相位探測(cè)器電路608測(cè)量外差信號(hào)I1和-I2之間的相位差。
Ф12(t)＝[φS(x1，y1，t)+φN，S(x1，y1，t)-φN，R(x1，y1，t)]-[φS(x2，y2，t)+φN，S(x2，y2，t)-φN，R(x2，y2，t)]＝φS(x1，y1，t)-φS(x2，y2，t)+φN，S(x1，y1，t)-φN，S(x2，y2，t)-φN，R(x1，y1，t)+φN，R(x2，y2，t)(29)如果現(xiàn)在假定干涉儀噪聲與橫向位置無關(guān)，即，φN，S(x1，y1，t)＝φN，S(x2，y2，t) (30a)φN，R(x1，y1，t)＝φN，R(x2，y2，t) (30b)，那么實(shí)測(cè)的相位差只是樣品相位在選定的點(diǎn)的差φ12(t)＝φS(x1，y1，t)-φS(x2，y2，t)(31)依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的方法可以用在僅僅服從物理限制的成像平面的許多光電探測(cè)器來實(shí)現(xiàn)。光電二極管陣列或光電二極管耦合光纖束可以用來使許多位置的相位同時(shí)成像。任何單一的探測(cè)器都可以被選作相對(duì)于它測(cè)量所有其它點(diǎn)的相位差的“基準(zhǔn)”探測(cè)器。
成像Mach-Zender的外差干涉儀的示意圖被展示在圖18B中。裝置670使已通過樣品673的光波的相位成像。
φS(x,y,t)=∫z1z2nS(x/M,y/M,z,t)dz]]>光學(xué)設(shè)計(jì)類似于結(jié)合圖18A描述的兩點(diǎn)式Mach-Zeder外差干涉儀，但是有兩個(gè)改變(i)成像探測(cè)器(例如，電荷耦合器件(CCD)682)位于成像平面之一，以及(ii)使用光電偏振調(diào)制器672和偏光片681來完成頻閃式探測(cè)。定量的相位圖像是用相移干涉測(cè)量法獲得的。
在CCD成像平面隨時(shí)間變化的強(qiáng)度分布用下式給出I_(x，y，t)＝|ES±ER|2＝(32a)|ES0|2+|ER0|2-2|ES0||ER0|cos[φS(x，y，t)+φN，S(x，y，t)-φN，R(x，y，t)+Ωt]頻閃式相位干涉測(cè)量法用來以相敏方式使這個(gè)外差干涉圖成像。這需要“門控”CCD的探測(cè)而且能以幾種方式完成。增強(qiáng)的CCD能通過控制增強(qiáng)器電壓被門控。在CCD前面的大孔徑光電元件能作為快速光閘使用。在圖18B舉例說明的系統(tǒng)中，光電偏振開關(guān)用來控制干涉儀的輸入光束的偏振。兩種偏振能被標(biāo)為“面內(nèi)”和“面外”，對(duì)應(yīng)于圖18B。線偏振片681被放在CCD成像裝置682前面，以便僅僅探測(cè)面內(nèi)偏振光；面外偏振光的被偏振片吸收或反射。
對(duì)準(zhǔn)第一成像平面(如果需要，經(jīng)由光纖)的光電二極管陣列用來獲得兩點(diǎn)式外差干涉儀中的下列信號(hào)I1(t)＝2|ES0||ER0|cos[φS(x1，y1，t)+φN，S(x1，y1，t)-φN，R(x1，y1，t)+Ωt](32b)然后，門控信號(hào)起源于外差信號(hào)I1，如下所述。電子比較器當(dāng)外差信號(hào)是正的而且有正斜率的時(shí)候輸出“高電平”。這對(duì)應(yīng)于在相位0的門控信號(hào)。在相移為π/2，π和3π/2的類似信號(hào)能通過當(dāng)外差信號(hào)分別為正的而且有負(fù)斜率、負(fù)的而且有負(fù)斜率和負(fù)的而且有正斜率的時(shí)候觸發(fā)產(chǎn)生。依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，外差信號(hào)687和門控信號(hào)688-691被展示在圖18C中。
然后，門控信號(hào)被用于連續(xù)地門控CCD探測(cè)器。該序列受計(jì)算機(jī)685控制。只有當(dāng)門控信號(hào)處于“高電平”的時(shí)候，才允許光波落到CCD上。對(duì)應(yīng)于四個(gè)門控信號(hào)而不是相等數(shù)目的外差周期的四次曝光被CCD捕獲，以便獲得四次曝光時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。四個(gè)實(shí)測(cè)的條紋圖像被稱為I0(x，y)、Iπ/2(x，y)、Iπ(x，y)、I3π/2(x，y)。于是，相對(duì)的樣品相位能用下式計(jì)算出來φS(x,y)=tan-1(I3π/2(x,y)-Iπ/2(x,y)I0(x,y)-Iπ(x,y))---(32c)]]>由于相位在四幀之中每一幀之間偏移。用來改變相位和計(jì)算相位的其它方法能被使用，例如，在此通過引證將其全部教導(dǎo)并入的Creath，K在“Phase-Measurement Interferometry Techniques”，Progress in Optics，Vol.XXVI，E.Wolf，Ed.，Elsevier SciencePublishers，Amsterdam，1988，pp，349-393中描述的那些。此外，干涉儀噪聲只要它在圖像平面上是常數(shù)就能借助基準(zhǔn)有相關(guān)關(guān)系的噪聲外差信號(hào)I1(t)被消除。頻閃式相位成像能被看作是“桶式”積分形式，其中積分是根據(jù)共同的外差基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)時(shí)間完成的。
依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，頻閃式相位成像也能用雙光束外差干涉儀完成。這需要能夠被CCD探測(cè)的低相干性波長(zhǎng)，例如850nm。與下文描述的圖19相比較，它還需要把樣品光束遞送系統(tǒng)修改成圖18D所示的成像系統(tǒng)。在這個(gè)實(shí)施方案中，用來產(chǎn)生四個(gè)門控信號(hào)的基準(zhǔn)外差信號(hào)是由光學(xué)基準(zhǔn)信號(hào)提供的。探測(cè)信號(hào)的模板可能是借助光纖開關(guān)或偏振調(diào)制器用偏振片完成的。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括雙光束反射干涉儀。雙光束反射干涉測(cè)量法的優(yōu)選實(shí)施方案包括隔離雙光束外差LCI。外差式雙光束干涉儀620被展示在圖19。所述干涉儀用來測(cè)量來自樣品的反射光波相對(duì)于位于樣品之前的部份反射表面的相位變化。例如，人們可能測(cè)量從玻璃薄片上的樣品反射的光波的相位。作為另一個(gè)例子，測(cè)量可能是相對(duì)于來自放在被研究的樣品附近的光纖探頭頂端的反射進(jìn)行的。
諸如超級(jí)發(fā)光二極管(SLD)或多模激光二極管之類的低相干性來源622被耦合到通過真空饋通進(jìn)入真空室640的單模光纖之中。被封閉在該真空室里面的是隔震的自由空間外差Michelson干涉儀。低相干性光束經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡從光纖發(fā)射，然后被分光鏡626分離。干涉儀的兩個(gè)臂(叫做1(656)和2(658))包含被頻率分別為ω1和ω2的射頻電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的聲光調(diào)制器(AOM1 628和AOM2634))。在每個(gè)臂中，正偏移的一階衍射光束是借助針孔選定的。光波被透鏡630和636聚焦，然后被反射鏡M1 632和M2 638反射回兩個(gè)AOM。透鏡被放在距離AOM和反射鏡兩者一倍焦距的位置。這種設(shè)計(jì)允許AOM回射校正繼續(xù)保持低相干性(廣譜的)光波的光譜。
由于AOM是在雙光路配置中操作的，以頻率ω0入射的光波在通過臂1(656)和2(658)之后被分別偏移到ω0+2ω1和ω0+2ω2。兩個(gè)通過臂1和2的光束之間的頻率差是Ω＝2(ω1-ω2)。
反射鏡之一M1(632)附著在平移臺(tái)上，以便調(diào)節(jié)兩個(gè)臂之間的光程長(zhǎng)度差Δl＝l1-l2。在通過兩個(gè)臂之后，組合光束可以被看作是被時(shí)間延遲Δl/c分開兩個(gè)脈沖的光束。來自兩個(gè)干涉儀臂的反射借助準(zhǔn)直儀660被聚焦返回光纖并且退出艙室640。
光循環(huán)器用來把回射光束與入射光束分開。光波作為自由空間光束被另一個(gè)準(zhǔn)直儀662發(fā)射并且被聚焦在樣品642上，因此首先通過部份反射的表面664。反向散射的光波被同一準(zhǔn)直儀收集并且在通過另一個(gè)光循環(huán)器之后被光電二極管650探測(cè)。調(diào)節(jié)Michelson干涉儀的光學(xué)延遲，以便與來自樣品S的反射和來自基準(zhǔn)表面的反射之間的光程差Δs相配。當(dāng)條件ΔL＝Δs維持在光源的相干長(zhǎng)度L之內(nèi)時(shí)，在頻率Ω下的外差信號(hào)由于從表面S642和R 664反射的光波之間的干涉而被探測(cè)。外差信號(hào)的相位代表樣品反射相對(duì)于基準(zhǔn)反射的相位的度量，所述外差信號(hào)相位相對(duì)于通過兩個(gè)AOM驅(qū)動(dòng)的電磁場(chǎng)的混合和加倍提供的本地振蕩器測(cè)量。為了阻止由單一表面反射產(chǎn)生外差信號(hào)，長(zhǎng)度Δs必須實(shí)質(zhì)上大于相干長(zhǎng)度LC。假定，樣品厚度小于玻璃厚度Δs，以致信號(hào)涉及玻璃表面，而不涉及來自樣品的散射。
干涉儀的定量描述如下。首先考慮波數(shù)為k0的單色光源。在Michelson干涉儀的輸入端的電磁場(chǎng)振幅能用下式描述Ei＝Aicos(k0z-ω0t) (33)通過AOM之后從分光鏡返回的電磁場(chǎng)是用來自干涉儀兩個(gè)臂的由磁場(chǎng)之和給出的
Em＝E1+E2＝Aicos(2k1l1-(ω0+2ω1)t)+Aicos(2k2l2-(ω0+2ω2)t)(34)其中k1＝k0+2ω1/c而k2＝k0+2ω2/c。
雙重光束現(xiàn)在是樣品上的入射光束。令s1是對(duì)基準(zhǔn)反射的光學(xué)距離和s2是對(duì)樣品反射的光學(xué)距離。如果基準(zhǔn)反射和樣品反射的反射率分別是R1和R2，而且忽略多次反射，那么從樣品反射的電磁場(chǎng)是用下式給出的Es=AiR1cos[2k1(l1+s1)-(ω0+2ω1)t]+AiR1cos[2k2(l2+s1)-(ω0+2ω2)t]]]>+AiR2cos[2k1(l1+s1)-(ω0+2ω1)t]+AiR2cos[2k2(l2+s2)-(ω0+2ω2)t]---(35)]]>探測(cè)到的強(qiáng)度iD與電磁場(chǎng)振幅的平方成比例iD∝⟨|Es|2⟩=(R1+R2)(1+cos(2k0Δl-Ωt)+]]>2R1R2[2cos(2k0Δs)+cos(2k0(Δl+Δs-Ωt))+cos(2k0(Δl-Δs-Ωt))]]]>(36)其中光學(xué)頻率振蕩項(xiàng)已被忽略，而且假定頻率偏移造成的波數(shù)偏移Ω/c與路徑長(zhǎng)度差Δs和Δl的逆相比較是可以忽略。
為了建立低相干性(寬帶)光源模型，假定它有高斯功率頻譜密度，其中心波數(shù)為k0而且全波長(zhǎng)的半最大值(FWHM)頻譜帶寬為Δk。
s(k)=2ln2Δkπexp[-(k-k0Δk/(2ln2))2]---(37)]]>
對(duì)低相干性輻射探測(cè)到的強(qiáng)度是通過在頻譜分布上積分單色結(jié)果發(fā)現(xiàn)的iD~=∫iD(k)S(k)dk=(R1+R2)(1+F(Δl)cos(2k0Δl-Ωt)]]>+2R1R2[2F(Δs)cos(2k0Δs)+F(Δl+Δs)cos(2k0(Δl+Δs-Ωt))]]>+F(Δl-Δs)cos(2k0(Δl-Δs-Ωt))]]]>(38)其中F(x)=exp[-(xlc/(2ln2))2]---(39)]]>是選定頻譜密度的光源相干性函數(shù)。在這里lc是相干長(zhǎng)度lc=4(ln2)Δk=2(ln2)λ02πΔλ---(40)]]>如果路徑長(zhǎng)度差被這樣選定，以致在相干長(zhǎng)度之內(nèi)Δl＝Δs，而且Δl＞＞lc，那么依支配時(shí)間而定的信號(hào)有如下形式iD~(AC)=2R1R2[F(Δl-Δs)cos(2k0(Δl-Δs-Ωt))]---(41)]]>通過測(cè)量這個(gè)信號(hào)相對(duì)于本地振蕩器652LO＝cos(Ωt)的相位，Δs的改變能被測(cè)量。請(qǐng)注意，為了阻止相位噪聲通過Δl的改變影響測(cè)量結(jié)果，Michelson干涉儀的隔離是必不可少的。
圖20依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案舉例說明隔離的雙重基準(zhǔn)外差低相干性干涉儀。干涉儀用來測(cè)量從選定的樣品深度反射的光波相對(duì)于來自不同的樣品深度的散射的相位。因?yàn)椴恍枰ＡХ瓷浔砻妫@種組件優(yōu)于比較簡(jiǎn)單的雙光束干涉儀。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)于活體測(cè)量是理想的。雙重基準(zhǔn)Michelson干涉儀能用來在足夠薄或透明的樣品中使神經(jīng)活動(dòng)在三維體積上成像。所述系統(tǒng)能用來研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)。
來自低相干光源702的光波被光纖耦合器706分離到上面的和下面的路徑之中。上面的路徑類似于上文結(jié)合圖19描述的雙光束干涉儀，頻移為ω1的雙光路AOM代替現(xiàn)在位于所述干涉儀的下面的路徑之中的樣品。兩個(gè)電磁場(chǎng)在另一個(gè)光纖耦合器742中被重新組合。光電二極管746、748是按雙平衡模式安排的。
在單色光源情況下，干涉儀的定量描述如下。上面路徑的電磁場(chǎng)可以寫作E1＝Aicos(2k0l1-(ω0+2ω1-2ω3)t)+Aicos(2k0l2-(ω0+2ω2-2ω3)t)(42)而下面路徑是(再次假定樣品包含在位置s1和s2的兩個(gè)反射)E2=AiR1cos[2k0s1-ω0t]+AiR2cos[2k0s2-ω0t]---(43)]]>已假定光纖電纜的路徑長(zhǎng)度在兩個(gè)臂之間是相等的。與頻率為ω3的AOM 736相關(guān)聯(lián)的反射鏡740可以被平移，以使路徑長(zhǎng)度相等。
光電探測(cè)器信號(hào)的AC分量用下式給出iD∝⟨|E1+E2|2⟩AC=R1[cos(2k0(l1-s1)-Ω13t)+cos(2k0(l2-s1)-Ω23t)]]]>+R2[cos(2k0(l1-s2)-Ω13t)+cos(2k0(l2-s2)-Ω23t)]]]>(44)
其中Ω13＝2(ω1-ω3)，而Ω23＝2(ω2-ω3)。就高斯頻譜分布而言，多色情況給出i~D=∫iD(k)S(k)dk∝R1[F(l1-s1)cos(2k0(l1-s1)-Ω13t)]]>+F(l2-s1)cos(2k0(l2-s1)-Ω23t)]]]>+R2[F(l1-s2)cos(2k0(l1-s2)-Ω13t)+F(l2-s2)cos(2k0(l2-s2)-Ω23t)]---(45)]]>假如在相干長(zhǎng)度之內(nèi)，l1≈s1，l2≈s2，而且Δl，Δs＜＜lc，那么主項(xiàng)是i~D∝R1F(l1-s1)cos(2k0(l1-s1)-Ω13t)+F(l2-s2)cos(2k0(l2-s2)-Ω23t)]---(46)]]>接下來，這兩個(gè)頻率組份在混頻器中被組合起來，而且通帶濾波器選擇差頻Ω12＝Ω13-Ω23＝ω1-ω2X=R1R2F(l1-s1)F(l2-s2)cos(2k0(l1-l2-(s1-s2))-Ω12t)---(47)]]>然后，相敏探測(cè)器測(cè)量信號(hào)相對(duì)于在通過AOM驅(qū)動(dòng)電磁場(chǎng)的混頻和加倍產(chǎn)生的Ω12下的本地振蕩器的相位。該實(shí)測(cè)的相位是φ＝2k0(Δl-Δs)。
移相器用來抵消可能不顧它的微分特性對(duì)相位測(cè)量有一些影響的干涉儀噪聲。光電二極管信號(hào)組份的相位R1F(l1-s1)cos(2k0(l1-s1)-Ω13t)---(48)]]>被測(cè)量并且被用作誤差信號(hào)，將來自s1的反射借助移相器鎖定到恒定不變的相位。
在使用真實(shí)樣品的實(shí)施方案中，除了散射分布之外將沒有兩個(gè)反射。通過設(shè)定基準(zhǔn)臂位置，干涉儀測(cè)量從兩個(gè)不同深度散射的光波之間的相位差。
結(jié)合圖19描述的實(shí)施方案測(cè)量光學(xué)外差信號(hào)相對(duì)于通過聲光調(diào)制器(AOM)射頻電磁場(chǎng)混頻產(chǎn)生的電信號(hào)的相位。有為數(shù)眾多的與實(shí)施方案相關(guān)聯(lián)的噪聲來源。它們包括或許歸因于來自射頻電磁場(chǎng)的AOM加熱的約為數(shù)分鐘大約一個(gè)波長(zhǎng)(1λ)的緩慢漂移和在60Hz和120Hz的相位噪聲。此外，振幅出現(xiàn)在AOM調(diào)諧電壓中而且或許歸因于傳輸線噪聲。在艙室外面的光纖移動(dòng)時(shí)改變的寬帶振幅和相位噪聲的其它來源最有可能歸因于光循環(huán)器中的偏振模色散(PMD)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案最大限度地減少并優(yōu)選消除噪聲并且包括光學(xué)基準(zhǔn)測(cè)量、或使用精確電壓電源提供的AOM調(diào)諧電壓或作為替代使用維持偏振的纖維光學(xué)部件以減少漂移和噪聲。圖21舉例說明最大限度減少噪聲的光學(xué)基準(zhǔn)干涉儀的優(yōu)選實(shí)施方案。所述實(shí)施方案解決結(jié)合圖19描述的系統(tǒng)所經(jīng)歷的漂移和噪聲問題。參照?qǐng)D21舉例說明的實(shí)施方案是外差式雙光束干涉儀。干涉儀用來使用可能作為樣品物體或個(gè)別元素上不同的橫向點(diǎn)的基準(zhǔn)測(cè)量來自樣品的反射光波的相位改變。諸如SLD之類的低相干性光源762被耦合到通過真空饋通進(jìn)入真空室782的單模光纖之中。外差Michelson干涉儀如同圖19描述那樣操作。來自兩個(gè)干涉儀臂的反射被準(zhǔn)直儀766、792聚焦返回兩個(gè)光纖并且退出該艙室。附加光程提供作為在個(gè)別元素上不同的橫向點(diǎn)的基準(zhǔn)。反向散射光波分別被兩個(gè)準(zhǔn)直儀788、790收集并且在通過光循環(huán)器794和798之后被兩個(gè)光電二極管796、800探測(cè)。
在雙重基準(zhǔn)干涉測(cè)量法實(shí)施方案中，把橫向基準(zhǔn)點(diǎn)和反射-基準(zhǔn)相位測(cè)量結(jié)合起來。理想的是，基準(zhǔn)點(diǎn)和樣品物體都位于同一玻璃之上。對(duì)消除蓋玻片中的任何傾斜、振動(dòng)和/或膨脹效應(yīng)有附加好處。如圖22所示，實(shí)測(cè)的相位是φ(t)＝(φ1-φ1′)-(φ2-φ2′) (49)雙重基準(zhǔn)干涉儀的優(yōu)選實(shí)施方案包括有相似的增益和頻率響應(yīng)的光電探測(cè)器，以便消除噪聲。此外，維持偏振的組份和光纖能用來處理光纖中的偏振效應(yīng)。具體地說，光循環(huán)器中的偏振模色散在兩個(gè)正交偏振之間產(chǎn)生導(dǎo)致能通過使用維持偏振的部件減輕的振幅和相位噪聲的可變延遲。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，數(shù)字式通帶濾波器用來處理在光學(xué)信號(hào)中發(fā)現(xiàn)的諧波。
圖23A圖解式地舉例說明用來標(biāo)定結(jié)合圖21描述的系統(tǒng)的壓電轉(zhuǎn)換器(PZT)的電壓。PZT標(biāo)定組件是在圖25A中舉例說明的。
與反射鏡888的位移相對(duì)應(yīng)的相位改變是在圖23B中圖解式地舉例說明的。這個(gè)相位變化對(duì)應(yīng)于27nm的標(biāo)定距離變化。
圖24圖解式地以弧度為單位舉例說明在50ms的總時(shí)間周期里與圖21舉例說明的干涉儀相關(guān)聯(lián)的噪聲性能，其中干涉儀的兩個(gè)臂是相等的。
圖25A和25B是依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案用于樣品信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的標(biāo)定組件的示意表達(dá)。在反射鏡和分光鏡之間的間隔是隨著PZT改變的。PZT的運(yùn)動(dòng)是通過監(jiān)測(cè)光源(He-Ne或Ti藍(lán)寶石)的發(fā)射標(biāo)定的。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案涉及系統(tǒng)包括用來在動(dòng)作電位期間完成諸如神經(jīng)移位運(yùn)動(dòng)之類的弱反射表面的細(xì)微運(yùn)動(dòng)的非接觸測(cè)量的雙光束低相干性干涉儀。神經(jīng)纖維在動(dòng)作電位期間呈現(xiàn)迅速向外側(cè)面移位。這種通常歸因于水流入軸突的“膨脹”現(xiàn)象最初是在螃蟹神經(jīng)中觀察到的，后來是在許多其它的無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本中觀察到的。所有的神經(jīng)膨脹觀察迄今仍然倚賴與神經(jīng)實(shí)際接觸的光學(xué)傳感器或壓電傳感器。用來測(cè)量神經(jīng)移位的非接觸式光學(xué)方法能消除與接觸相關(guān)的人工制品并且允許多條神經(jīng)的活動(dòng)以它們的天然狀態(tài)同時(shí)成像。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括雙光束外差式低相干性干涉儀及其在測(cè)量龍蝦神經(jīng)束的膨脹效應(yīng)中的應(yīng)用?，F(xiàn)有的用干涉儀觀察神經(jīng)膨脹的方法尚未成功，因?yàn)殪`敏度低和無法探測(cè)任何與青蛙或龍蝦神經(jīng)的動(dòng)作電位相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)。最近，已使用透射光波干涉儀成功地測(cè)量了神經(jīng)在動(dòng)作電位期間的折射指數(shù)變化。
測(cè)量在毫秒時(shí)間范圍內(nèi)約為數(shù)納米的神經(jīng)位移需要能夠從低反射率表面記錄的快速的和穩(wěn)定的干涉儀測(cè)量系統(tǒng)。依照優(yōu)選的實(shí)施方案，由單模光纖和自由空間元素組成的雙光束系統(tǒng)被展示在圖26中。來自與超級(jí)發(fā)光二極管922(Optospeed SLD，F(xiàn)WHM的中心波長(zhǎng)為1550nm，帶寬為40nm)耦合的光纖的光波準(zhǔn)直后進(jìn)入包含在雙光路配置中校直的并且由頻率為ω＝110.1MHz和ω2＝110MHz的射頻電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的聲光調(diào)制器(AOM)946、952的Michelson干涉儀。安裝在平移臺(tái)上的反射鏡允許控制在兩個(gè)干涉儀臂之間往返光程差ΔL。光波通過光纖準(zhǔn)直儀進(jìn)出Michelson干涉儀。
來自Michelson干涉儀的兩個(gè)口之中每個(gè)口的輸出是由有不同的頻移和可變的延遲的兩個(gè)低相干性電磁場(chǎng)組成的雙重光束。雙重光束之一是神經(jīng)艙室組件(在圖27中詳細(xì)說明)上的入射光束，而另一個(gè)是基準(zhǔn)間隙上的入射光束。神經(jīng)組件和基準(zhǔn)間隙每個(gè)都包含被可調(diào)節(jié)距離分開的兩個(gè)反射表面，而且被校直以便將入射光波反射回其各自的光纖。這些表面之一幾乎是在空氣和無涂層玻璃之間的界面。在樣品中第二反射來自在空氣和神經(jīng)表面之間的界面。
ΔLS和ΔLR分別是來自樣品和基準(zhǔn)間隙的表面1和2的反射之間的往返光程差。調(diào)節(jié)各種不同的組份以致三個(gè)路徑長(zhǎng)度ΔL、ΔLS和ΔLR全部等于在光源相干長(zhǎng)度之內(nèi)。當(dāng)條件滿足時(shí)，光電探測(cè)器932、962(新的聚焦2011)記錄由于(1)橫越Michelson干涉儀的臂1并且從樣品(或基準(zhǔn)間隙)的表面2反射的光波和(2)橫越Michelson干涉儀的臂2并且從樣品(或基準(zhǔn)間隙)的表面1反射的光波之間的干涉造成的頻率為Ω＝2(ω1-ω2)＝200kHz的外差信號(hào)。兩個(gè)外差信號(hào)之間的相位差(多達(dá)2π的倍數(shù))是φ(t)＝k0[(ΔLS-ΔL)-(ΔLR-ΔL)]＝k0(ΔLS-ΔLR)，其中k0是來源的中心波數(shù)。最易受相位噪聲影響的量——Michelson路徑延遲ΔL在這種差動(dòng)測(cè)量方法中被刪除。與偏振無關(guān)的光循環(huán)器926、930、960用來使探測(cè)到的功率達(dá)到最大值并且阻止反射光波再次進(jìn)入Michelson干涉儀。偏振控制器(未展示)用來最大限度地減少纖維光學(xué)組份中的偏振模色散的效果。
為了測(cè)量相位差φ(t)，光電探測(cè)器的輸出被12位的A/D卡(美國(guó)國(guó)家儀器公司PCI-6110)以每秒五百萬個(gè)樣品的速率數(shù)字化。計(jì)算機(jī)中的指令序列借助Hilbert變換計(jì)算兩個(gè)信號(hào)之間的相位差而且把該相位偏移表達(dá)成相對(duì)的表面位移d(t)＝φ(t)/2k0。
為了檢驗(yàn)干涉儀完成了位移測(cè)量，神經(jīng)組件被使用壓電轉(zhuǎn)換器以300Hz頻率和27nm振幅按正弦曲線調(diào)制諧振腔間隔的平面Fabry-Perot諧振腔代替。當(dāng)諧振腔在若干微米范圍內(nèi)被掃描的時(shí)候，雙光束干涉儀的振幅和頻率測(cè)量結(jié)果與通過監(jiān)測(cè)632.8nm氦-氖激光器光束的傳輸確定的數(shù)值很好地一致。
依照優(yōu)選的實(shí)施方案，來自美國(guó)龍蝦(美洲龍蝦)的步足神經(jīng)(～1mm直徑，～50毫米長(zhǎng))被解剖并且被放在圖27所示的用丙烯酸樹脂機(jī)械加工而成的神經(jīng)艙室上。該艙室包含五個(gè)充滿龍蝦鹽水溶液的容器，而在各容器之間的神經(jīng)被凡士林絕緣層包圍著，以使容器之間電阻最大。刺激隔離器遞送振幅可變的電流脈沖(0-10mA，持續(xù)時(shí)間1ms)以便通過刺激電極刺激神經(jīng)。刺激隔離器所遞送的電流由于通過鹽水的平行電導(dǎo)或許比通過神經(jīng)的真實(shí)電流大得多。在神經(jīng)中產(chǎn)生的復(fù)合動(dòng)作電位是用一對(duì)記錄電極998a、998b探測(cè)的，而且是以增益104放大的。在中心孔中，神經(jīng)被放置在小玻璃臺(tái)上，以致它沒有浸沒在鹽水溶液中。在解剖和數(shù)據(jù)收集期間，神經(jīng)用鹽水保持潮濕。
圖28A和28B舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案在一個(gè)試驗(yàn)里的電位和神經(jīng)的光學(xué)法實(shí)測(cè)位移。在電信號(hào)中時(shí)間零點(diǎn)處的尖峰是人為刺激造成的。它后面跟著一系列描述神經(jīng)束中多個(gè)軸突的動(dòng)作電位的峰。光學(xué)信號(hào)展示高度大約為5nm、FWHM持續(xù)時(shí)間大約為10ms的峰，其方向?qū)?yīng)于上表面位移。光學(xué)信號(hào)展示單一的峰，而不是像電信號(hào)那樣多個(gè)尖峰；這可能是由于位移信號(hào)的單相(單一符號(hào))特性造成的。位移測(cè)量的rms噪聲對(duì)于1kHz帶寬大約為0.25nm。
位移是在大約一半神經(jīng)標(biāo)本中觀察到的而且對(duì)于5mA刺激振幅從0nm變化到8nm。大的易變性可以反映出在神經(jīng)本身或準(zhǔn)備程序方面的差異。相似的位移振幅也已經(jīng)有使用螃蟹和小龍蝦的神經(jīng)的報(bào)告。在使用光學(xué)杠桿的龍蝦神經(jīng)膨脹最新研究中大約～10次較小的位移被觀察到，這可能反映技術(shù)的人為現(xiàn)象。
為了控制諸如來自歐姆加熱的熱膨脹之類由于刺激電流造成的神經(jīng)加熱的人為現(xiàn)象，單一神經(jīng)的峰值電信號(hào)和位移信號(hào)是在改變刺激電流時(shí)測(cè)量的(如圖29所示)。電信號(hào)和位移信號(hào)呈現(xiàn)幾乎同一的閾電流(大約1.5mA)和飽和電流(大約5mA)，從而暗示觀察到的位移與動(dòng)作電位相關(guān)聯(lián)。相反，歐姆效應(yīng)將以與電流的二次依存關(guān)系為特色而與飽和無關(guān)。因此，依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案提供能控制人為刺激的神經(jīng)位移研究。優(yōu)選的實(shí)施方案包括完成首次非接觸式的和首次干涉測(cè)量法的神經(jīng)膨脹測(cè)量的外差低相干性干涉儀。依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，神經(jīng)膨脹的生物物理機(jī)制能就個(gè)別的軸突成像和分析。雙光束低相干性干涉儀可能在測(cè)量活細(xì)胞的納米級(jí)的運(yùn)動(dòng)方面有許多其它的應(yīng)用。其它的實(shí)施方案能包括以干涉儀為基礎(chǔ)探測(cè)與動(dòng)作電位相關(guān)聯(lián)的單一神經(jīng)元的機(jī)械改變的顯微鏡。相關(guān)的干涉測(cè)量法也用來測(cè)量在被培養(yǎng)的單層細(xì)胞中細(xì)胞體積的改變。
圖30依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，舉例說明雙光束干涉儀的掃描系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。安裝在機(jī)動(dòng)化檢流計(jì)1024、1030上的反射鏡被放置在成像系統(tǒng)的傅立葉平面并且允許光束以不變的角度掃過樣品。反射鏡以大約30Hz、1-2度振幅(在樣品上50-100nm)掃描。檢流計(jì)可以按Lissajous圖1052被設(shè)置光柵或掃描。
圖31舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案檢流計(jì)位置和使用Lissajous掃描從空白蓋玻片收集的相位數(shù)據(jù)?？傄晥?chǎng)大約是100微米。垂直軸是實(shí)測(cè)的相位。噪聲輪廓是在1kHz上大約25mrad。
圖32A和32B舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案回射的相位圖像和強(qiáng)度(振幅)圖像的彩色映射圖。光束掃描數(shù)據(jù)是從空白蓋玻片收集的。噪聲輪廓是在1kHz上大約25mrad。功率由于當(dāng)光束離開光軸移動(dòng)的時(shí)候發(fā)生的未對(duì)準(zhǔn)和修剪在中心最高。圖像中的黑點(diǎn)對(duì)應(yīng)于用Lissajous圖不被訪問的象素。
圖33示意地舉例說明借助本發(fā)明的實(shí)施方案解決的聚焦問題。細(xì)胞2002放置在雙光束顯微鏡的玻璃蓋玻片2004上。實(shí)線代表聚焦在玻璃上表面和細(xì)胞上的光束。虛線代表從玻璃的底面反射的光束。相位-基準(zhǔn)干涉測(cè)量系統(tǒng)是依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的雙光束干涉測(cè)量法，并且需要不僅收集從興趣樣品散射的光波而且也收集來自位于樣品前面的固定的基準(zhǔn)表面的反射。樣品和基準(zhǔn)不同的軸向位置應(yīng)對(duì)有效地同時(shí)收集基準(zhǔn)和樣品兩者的散射，尤其是對(duì)于高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)。焦點(diǎn)問題的兩種解決辦法是由優(yōu)選實(shí)施方案之中允許在數(shù)值孔徑為0.50的情況下有效地收集樣品和基準(zhǔn)的光波的兩種系統(tǒng)提供的。首先，雙焦透鏡系統(tǒng)通過把數(shù)值孔徑分為通過雙焦點(diǎn)光學(xué)元件中曲率不同的部分的邊緣光線和近軸光線把樣品表面和基準(zhǔn)表面同時(shí)帶進(jìn)焦點(diǎn)。雙焦元件能通過在平凸透鏡的凸面上磨平中心區(qū)域構(gòu)成。把雙焦透鏡放置在顯微鏡的傅立葉平面附近允許經(jīng)由用于樣品成像的反射鏡檢流計(jì)的光束掃描。
圖34舉例說明依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的雙焦透鏡設(shè)計(jì)。把雙焦透鏡放在物鏡前面而不是后面是比較容易的。所述實(shí)施方案使平移變得容易。
圖35舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的雙焦透鏡系統(tǒng)的另一種設(shè)計(jì)。雙焦透鏡系統(tǒng)2050通過把雙焦透鏡放在成像系統(tǒng)的傅立葉平面或該平面附近允許光束掃描。光束2068是近軸光束，而光束2070是邊緣光束。所述光學(xué)性質(zhì)對(duì)一階傾斜光束是不變的。
圖36舉例說明透鏡f3(雙焦點(diǎn)的)和f2之間的最佳距離的計(jì)算，以致在物鏡后面的兩個(gè)焦距之間的間距依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案等于Δ＝100微米。所述光學(xué)設(shè)計(jì)是通過光線跟蹤提供的。
圖37舉例說明依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的雙焦透鏡的制造。雙焦透鏡能通過拋光平凸透鏡的中心部分制作。除去非常小的玻璃厚度(大約2-10μm)。小的改變導(dǎo)致信號(hào)和基準(zhǔn)之間的路徑長(zhǎng)度差。
圖38舉例說明當(dāng)物鏡依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案向玻璃蓋玻片掃描的時(shí)候通過光循環(huán)器的實(shí)測(cè)回射強(qiáng)度。來自背面和正面的反射被分開大約100微米。沒有重疊并因此沒有干涉。
圖39就依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案有來自反射鏡的單一反射的雙焦透鏡而言舉例說明回射強(qiáng)度與物鏡焦點(diǎn)位置之間的關(guān)系。使用雙焦透鏡f3，(當(dāng)物鏡位置被掃描時(shí))來自反射鏡的單峰被一分為二，對(duì)應(yīng)于以不同的物鏡焦點(diǎn)位置在反射鏡聚焦的近軸光束和邊緣光束。峰之間的間距取決于透鏡f2和f3之間的距離。在本實(shí)施方案中，間距是大約100微米。
圖40舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案在有雙面蓋玻片反射的情況下使用雙焦透鏡時(shí)的回射強(qiáng)度和物鏡焦點(diǎn)位置之間的關(guān)系。這張圖將早先的兩張圖放在一起，提供四個(gè)主峰和幾個(gè)較小的峰。
圖41舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案當(dāng)f2和f3之間的距離被調(diào)節(jié)到與前后玻璃表面之間的間距相匹配的時(shí)候回射強(qiáng)度和物鏡焦點(diǎn)位置之間的關(guān)系。邊緣光線在后背面上聚焦，在相同位置近軸光線在前背面上聚焦。這提供可以在中心見到的大峰。
圖42舉例說明由于依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案近軸光束和邊緣光束的耦合產(chǎn)生的額外的較小的峰。這些額外的峰能通過在中途精確地發(fā)生在兩個(gè)峰之間的從近軸向邊緣光束耦合得到解釋。額外的峰的振幅高度地取決于光學(xué)對(duì)準(zhǔn)并且能通過微調(diào)光學(xué)系統(tǒng)被減到最小并優(yōu)選被消除。
圖43A舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案作為集成元件的有基準(zhǔn)表面的雙光束探頭。該探頭由光纖準(zhǔn)直儀2382和折射率漸變(GRIN)透鏡2390組成。GRIN透鏡的無涂層的后表面提供基準(zhǔn)反射。由于不需要分開的基準(zhǔn)表面，所以該探頭非常適合于活體內(nèi)應(yīng)用。為了完成二維相位成像或三維共焦相位成像，該探頭可能被裝在快速掃描壓電轉(zhuǎn)換器上。所述實(shí)施方案提供容易用于位移測(cè)量的預(yù)先對(duì)準(zhǔn)的光纖探頭。該探頭有高數(shù)值孔徑(NA)，在大約0.4-0.5的范圍內(nèi)，提供從散射表面有效的光波聚集。整體基準(zhǔn)表面解決景深造成的問題。所述優(yōu)選實(shí)施方案的探頭代替復(fù)雜光學(xué)器件的集合而且適合于活體內(nèi)使用。
圖43B舉例說明的是光纖型雙光束干涉儀探頭2381的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。在這個(gè)例子中，基準(zhǔn)反射是由光纖夾層末端2385提供的。在這種情況中，末端2385被拋光成與光纖軸成直角。光纖2383安裝在插進(jìn)外殼2387的玻璃套環(huán)2389中。光纖末端2385發(fā)出的光波是用折射率漸變(GRIN)透鏡聚焦的，在這個(gè)例子中該透鏡有大約0.29或0.3的節(jié)距。被校直光纖的有近似等于3.5的放大倍數(shù)M，以使光纖(NA＝0.13)和GRIN透鏡(NA＝0.50)的數(shù)值孔徑相匹配。光束聚焦在樣品上，在這個(gè)例子中樣品距探頭的遠(yuǎn)端表面大約300微米。
圖43C是來自鼠海馬培養(yǎng)物的兩個(gè)神經(jīng)纖維(軸突或枝晶體)的明視場(chǎng)顯微鏡圖像。圖43D是作為使用雙焦雙光束顯微鏡掃描樣品實(shí)測(cè)的位置函數(shù)的外差信號(hào)振幅的表達(dá)。
圖43E是在圖43D中見到同一樣品的反射相位圖像。
圖44是依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案用來研究在動(dòng)作電位期間在神經(jīng)中觀察到的位移效應(yīng)的幾何學(xué)的雙光束探頭的示意圖2400。通過改變探頭的角度，能測(cè)量不同方向的位移。
圖45舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案能通過掃描探頭或樣品用于成像的雙光束探頭系統(tǒng)。為了避免引進(jìn)由于樣品運(yùn)動(dòng)造成的人為現(xiàn)象，掃描探頭是優(yōu)選的。探頭由于它的重量輕(大約2-3克)能被非常快地(大約1kHz)掃描。因?yàn)榛鶞?zhǔn)表面被集成在探頭中，(強(qiáng)度和相位兩者的)三維共焦成像是可能的。列舉的雙重光束探頭系統(tǒng)能測(cè)量透射或反射。優(yōu)選的實(shí)施方案包括掃描型雙光束探頭顯微鏡，所以物鏡到樣品的距離是高度穩(wěn)定的。
圖46A-46C分別舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案使用雙焦點(diǎn)的雙光束顯微鏡從放在有防反射涂層的玻璃蓋玻片上的干燥的人類面頰上皮細(xì)胞(或兩個(gè)重疊細(xì)胞)獲得的強(qiáng)度圖像、反向散射光波的實(shí)測(cè)相位圖像和明視場(chǎng)圖像。這些圖像是通過掃描有電動(dòng)平移裝置的顯微鏡載物臺(tái)產(chǎn)生的。圖46A和46B的圖像(水平方向130微米×垂直方向110微米的視場(chǎng)，掃描是100×100象素)分別顯示外差信號(hào)的振幅和相位。圖46C是同一面頰細(xì)胞的明視場(chǎng)圖像(視場(chǎng)大約為60微米×40微米)。該相位圖像顯示少于一個(gè)波的對(duì)比這可能反映由于與玻璃基體接觸幾乎平坦的細(xì)胞下表面的形貌。
圖46D-46G舉例說明圖43舉例說明的雙光束顯微鏡的輪廓曲線測(cè)定能力，25毫米焦距的平凸透鏡的凹面如圖46E所示被放到蓋玻片上，所述蓋玻片的頂部有防1.5微米波長(zhǎng)反射的涂層。圖46D舉例說明透鏡中心部分的強(qiáng)度圖像。圖46F是反射光波的相位映射圖。圖46G舉例說明相位圖像的橫截面，相位通過二次擬合展開。二階項(xiàng)的系數(shù)對(duì)應(yīng)于與已知的透鏡表面曲率一致的11.7毫米的曲率半徑。在強(qiáng)度圖像和相位圖像中的邊遠(yuǎn)點(diǎn)可能是透鏡上的塵粒或凹陷造成的。
圖47A-47E舉例說明移相干涉測(cè)量法的原理，包括干涉圖和依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案收集諸如相位步進(jìn)(圖47B和47C)和桶式積分(圖47D和47E)之類畫面的不同方法的示意圖。該方法包括調(diào)制相位、記錄三個(gè)畫面的最小值和計(jì)算光學(xué)相移。
圖48A-48C舉例說明依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的頻閃式外差干涉測(cè)量系統(tǒng)的原理。為了給出非常低的相位噪聲，這個(gè)系統(tǒng)包括導(dǎo)致除了桶式切換涉及相關(guān)的噪聲基準(zhǔn)外差信號(hào)以外類似于桶式積分的連續(xù)相位斜升的聲光調(diào)制。反之，頻閃式外差干涉儀提供連續(xù)的測(cè)量，因?yàn)闆]有機(jī)械式反射鏡位移造成的停頓。
圖49舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的頻閃式雙光束外差干涉儀2570的示意圖。來自雙光束干涉儀的光波被準(zhǔn)直然后進(jìn)入光電偏振調(diào)制器2594。光波從分光鏡2582反射出來，通過呈望遠(yuǎn)鏡配置的兩個(gè)透鏡2580、2576(f1和f0，物鏡)，然后作為準(zhǔn)直光束照射樣品。來自樣品(例如，細(xì)胞2573)和蓋玻片后表面的回射光波被物鏡和f1收集到CCD 2586上。透鏡f1被調(diào)整到距CCD一個(gè)焦距和距傅立葉平面(FP)2578一個(gè)焦距。物鏡f02576同樣是距傅立葉平面一個(gè)焦距和距樣品一個(gè)焦距。光電偏振調(diào)制器與在CCD前面的偏振片2584組合充當(dāng)快速的光學(xué)開關(guān)。光電偏振調(diào)制器是依照作為來自雙光束干涉儀中的基準(zhǔn)間隙的外差信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)的相位實(shí)施門控的。820nm的SLD被用于優(yōu)選實(shí)施方案。樣品2573上的光波被準(zhǔn)直，因此預(yù)先排除任何焦點(diǎn)問題。
圖49B和49C舉例說明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案展示圖43所示的雙光束探頭聚焦在靜止的玻璃表面上造成的相位噪聲的數(shù)據(jù)。
結(jié)合圖26展示和描述的系統(tǒng)向嘗試在典型的例子中把光波聚焦在被軸向分開大約100微米的反射表面和樣品上提出挑戰(zhàn)。在數(shù)值孔徑＞0.1的情況下，這比景深大得多。改變雙焦光學(xué)系統(tǒng)或探頭設(shè)計(jì)解決這個(gè)問題是可能的，然而，雙焦系統(tǒng)通常有采用高數(shù)值孔徑物鏡時(shí)變得更差的低收集效率，而且來自透鏡離軸部分的繞射能產(chǎn)生邊緣效應(yīng)。探頭設(shè)計(jì)受表面基準(zhǔn)與樣品分開和NA在采用GRIN透鏡時(shí)被限制在0.5這一事實(shí)的限制。
圖50A舉例說明的是來自兩條路徑的光波在被引到樣品上之前先沿著共向光程合并的系統(tǒng)2700。來自路徑1的光波聚焦在表面1上，而來自路徑2的光波聚焦在表面2上。
把這個(gè)特征并入的干涉儀被展示在圖50B的雙光束系統(tǒng)2800中。系統(tǒng)2800有光源2801，兩個(gè)移動(dòng)反射鏡2803、2805和把來自兩條路徑的光波引向樣品2807表面和基準(zhǔn)2809表面的偏振分光鏡2811。偏振組份的方向被清楚地展示在圖50C中。干涉儀的每個(gè)臂被引到一個(gè)表面上。光波因此被更有效地使用。光束被分開聚焦，沒有來自雙焦透鏡的邊緣效應(yīng)。不存在由此產(chǎn)生的數(shù)值孔徑方面的折衷，而且該系統(tǒng)交易能被配置在自由空間中不需要光纖耦合，除了非必選地來自光源的光纖耦合之外。這能改善光波收集效率。
使用空間光波調(diào)制的定量相襯顯微鏡另一方面，本發(fā)明提供把相襯顯微鏡與和相移干涉測(cè)量法結(jié)合起來的顯微鏡系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能應(yīng)用于透射幾何學(xué)和反射幾何學(xué)。在各種不同的實(shí)施方案中，所述方法和系統(tǒng)把共向光程用于不同空間頻率的波并且偏移發(fā)源于樣品上同一點(diǎn)的不同空間頻率的波之間的相位。
光學(xué)領(lǐng)域的相位多年來已被用來提供許多應(yīng)用中需要的子波長(zhǎng)準(zhǔn)確性。例如，作為本質(zhì)上弱的散射體的生物學(xué)系統(tǒng)通過使用相襯顯微鏡的原理已變成看得見的。干涉測(cè)量法是一種獲取相位信息的途徑，所以，在過去的數(shù)年中以重新獲得與樣品相關(guān)聯(lián)的相位為目的已開發(fā)了各種不同的干涉測(cè)量技術(shù)。諸如相襯和Nomarski顯微鏡之類的技術(shù)雖然非常有用而且是流行的方法，但是僅僅使用光學(xué)相位作為反襯工具，不提供關(guān)于其它大小的定量信息。
另一方面，移相技術(shù)能夠定量地確定相位信息，而且各種不同的干涉測(cè)量方案在過去的數(shù)十年中已被提出。以偏振光學(xué)為基礎(chǔ)的差動(dòng)相襯技術(shù)已經(jīng)與通常的光學(xué)相干性斷層攝影術(shù)對(duì)接。桶式集成技術(shù)，作為移相干涉測(cè)量法的特定情況，也已被用于二維相位成像。然而，大多數(shù)這樣的干涉儀需要形成兩個(gè)物理上被分開的光束，這使它們易受無關(guān)聯(lián)的環(huán)境噪聲影響。為了主動(dòng)地消除噪聲，這個(gè)問題往往需要特定的措施。鎖相環(huán)已被用于這個(gè)目的。所需要的是減少或消除來自干涉測(cè)量信號(hào)的無關(guān)聯(lián)的噪聲的顯微鏡系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法使用共向光程使發(fā)源于樣品的不同空間頻率的光波相干。在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明提出的系統(tǒng)和方法提供實(shí)質(zhì)上沒有無關(guān)聯(lián)的環(huán)境相位噪聲的樣品相位圖像。除此之外，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法在使用低相干性照明光源的時(shí)候即使存在相位奇點(diǎn)也能獲得相位圖像。
在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明提供對(duì)環(huán)境相位噪聲不敏感而且能在任意的曝光時(shí)間范圍內(nèi)提供非常精確和穩(wěn)定的相位信息的儀器。在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明以作為干涉圖的圖像描述為基礎(chǔ)。這種描述的一個(gè)例子是阿貝成像理論。圖像平面中的每個(gè)點(diǎn)都被看作是相對(duì)于光軸以不同角度傳播的波的重疊(干涉)。如果我們把來自樣品的零階散射作為干涉儀的基準(zhǔn)考慮，那么該圖像能被看作是零階電磁場(chǎng)和離開光軸傳播的電磁場(chǎng)之間的干涉。
圖51A-5D是這樣的圖像描述的各種不同特征的示意表達(dá)。圖51A是由高空間頻率組份1104和零階組份1106形成的干涉圖1102的示意表達(dá)1100。圖51B是由低頻組份1114和零階組份1106形成的干涉圖1112的示意表達(dá)1110。圖51C是由空間頻率寬廣的光束1124在圖像平面1126的重疊形成的衍射斑1122的示意表達(dá)1120。圖51D是由較狹窄的空間頻譜1134在圖像平面1126產(chǎn)生的較寬的衍射斑1132的示意表達(dá)1130。除此之外，例如，零階組份和較高階的組份能被看作DC分量和AC分量。
在成像平面中電子場(chǎng)的振幅和圖像平面中的強(qiáng)度能被表示成 Iimage∝cos(1-0) (51)其中Eimage代表光波在成像平面上某點(diǎn)的電場(chǎng)振幅，代表光波的相位，Iimage代表光波在成像平面上某點(diǎn)的強(qiáng)度，而其中的下標(biāo)0和1分別代表用于方程式50-56中的零階組份和高階組份，例如，單一的振幅已被考慮。方程式51舉例說明對(duì)于在樣品上與π相比較很小的相位變化Δ＝1-0，圖像平面中的強(qiáng)度緩慢地改變，這等于說圖像缺乏反差。然而，通過把零階相位0偏移π/2，圖像強(qiáng)度分布能被表示成Iimage∝sin(1-0) (52)方程式52舉例說明現(xiàn)在圖像平面的強(qiáng)度在數(shù)值Δ＝0的周圍是非常敏感的，相當(dāng)于該圖像即使對(duì)于純粹地調(diào)整物體相位也呈現(xiàn)明顯的反差。
除了改善強(qiáng)度反差之外，偏移零階光波組份的相位也能提供關(guān)于該物體的相位分布的定量信息。例如，考慮將零頻率組份的相位偏移能被可控制地改變的數(shù)量δ。在圖像平面中任何點(diǎn)(x，y)的總電場(chǎng)E(x，y)image和強(qiáng)度Iimage(x，y，δ)能用下式表示，從而記住零階電磁場(chǎng)在圖像平面上是不變的 其中I0是與低頻組份相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度，I1是與高頻率組份相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度。
在此，我們一般地提到來自樣品的光波的階次。然而，當(dāng)使用SLM的時(shí)候，在實(shí)踐中，僅僅可控制地偏移來自樣品的光波的零階組份的相位是非常困難的。因此，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，我們偏移包含所有零階光波的低頻空間組份的相位。因此，人們將會(huì)理解，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能通過僅僅偏移零階組份的相位被實(shí)踐，而且偏移其它階次的相位不是必需的。
通過改變?chǔ)?，能獲得Δ(x，y)＝1(x，y)-0和表達(dá)式 與樣品相關(guān)聯(lián)的相位能使用方程式53和54獲得，而這兩個(gè)方程式本身使用，例如，總電場(chǎng)E(x，y)的相位表達(dá)式。與物體相關(guān)聯(lián)的相位能用下式表示 在方程式56中，β＝I1/I0而且代表分別與高空間頻率組份和低空間頻率組份相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度之比。β的數(shù)值能被獲得，例如，從四個(gè)數(shù)值δ下的Iimage(x，y，δ)獲得。
在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法以顯微鏡系統(tǒng)的透射幾何學(xué)為基礎(chǔ)。圖52示意地依照本發(fā)明以透射幾何學(xué)為基礎(chǔ)舉例說明顯微鏡系統(tǒng)1200的一個(gè)實(shí)施方案。參照?qǐng)D52，一對(duì)透鏡，物鏡透鏡1204和管透鏡1206按透射幾何學(xué)使樣品1210在圖像平面P21212成像。透鏡L31214能用于在空間光波調(diào)制器(SLM)1216上形成圖像的傅立葉變換。SLM 1216上的中心區(qū)域能相對(duì)于SLM的其余部分把可控制的相位偏移δ應(yīng)用于入射光束1220的中心區(qū)域而且反射整個(gè)入射光束1220。入射光束1220的中心區(qū)域?qū)?yīng)于用光束內(nèi)邊界1222描繪的低空間頻率波。外邊界1224舉例說明高頻光束組份的路徑，放大低頻光束組份和高頻光束組份兩者的發(fā)散以便被看到。透鏡L31214也能充當(dāng)4-f系統(tǒng)的第二透鏡，使用分光鏡BS 1232在諸如電荷耦合器件(CCD)之類的探測(cè)器1230上形成最后的圖像。
各式各樣的裝置都能用來控制SLM和獲得樣品圖像。例如，在各種不同的實(shí)施方案中，計(jì)算機(jī)1250控制SLM1216的調(diào)制從而使δ增加π/2而且優(yōu)選使探測(cè)器1230的圖像采集同步。方程式55的運(yùn)算能被實(shí)時(shí)地完成；因此顯示相位圖像的速度在優(yōu)選實(shí)施方案中僅僅受探測(cè)器1230的采集時(shí)間和SLM1216的刷新率的限制。
各式各樣的照明模式和照明光源能用來為本發(fā)明的透射幾何學(xué)提供照明1260。該照明能在明視場(chǎng)模式或暗視場(chǎng)模式中完成。除此之外，對(duì)所用來源的相干性質(zhì)沒有特殊的要求。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能使用激光、部份相干的輻射或“白”光(例如，來自放電燈)。然而，照明光源應(yīng)該有好的空間相干性。
如圖52所示，相干的低頻和高頻電磁場(chǎng)是同一光束的組份；并因此分享共向光程。因此，低頻組份和高頻組份以類似的方式受相位噪聲影響，因此本發(fā)明的系統(tǒng)的各種不同實(shí)施方案能被看作是無光學(xué)噪聲的定量相襯顯微鏡。例如，在各種不同的實(shí)施方案中，在任意的采集時(shí)標(biāo)范圍內(nèi)λ/1000的相位靈敏度是可能的。
在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法以適合于顯微鏡系統(tǒng)的反射幾何學(xué)為基礎(chǔ)。透射幾何學(xué)和反射幾何學(xué)之間的差別在于照明幾何學(xué)。透射幾何學(xué)能被轉(zhuǎn)換成反射幾何學(xué)。
圖53示意地舉例說明依照本發(fā)明以反射幾何學(xué)為基礎(chǔ)的顯微鏡系統(tǒng)1300的一個(gè)實(shí)施方案。低頻組份和高頻組份兩者的路徑外邊界為了清楚起見在圖53中未被舉例說明。除此之外，在圖53中光束的發(fā)散為了看得見被放大。在各種不同的實(shí)施方案，分光鏡BS11301允許第二照明光源1302耦合到該系統(tǒng)之內(nèi)并提供照明1303。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二照明光源包括超級(jí)發(fā)光二極管(SLD)。為了避免由于在光程中各種不同界面的反射造成的干涉，諸如SLD之類的低相干性光源是符合需要的。
參照?qǐng)D53，一對(duì)透鏡、物鏡透鏡1304和管透鏡1306使樣品1310在圖像平面P21312成像。透鏡L31314能用來使圖像的傅立葉變換在空間光波調(diào)制器(SLM)1316上形成。SLM1316上的中心區(qū)域1317能相對(duì)于SLM的其余部分把可控制的相移δ應(yīng)用于入射光束1320的中心區(qū)域1318和反射整個(gè)入射光束1320。入射光束1320的中心區(qū)域1318對(duì)應(yīng)于低空間頻率波。透鏡L31314也能充當(dāng)4-f系統(tǒng)的第二透鏡，在諸如CCD之類使用分光鏡BS1332的探測(cè)器1330上形成最后的圖像。
各式各樣的裝置能被用來控制SLM和獲得樣品圖像。例如，在各種不同的實(shí)施方案中，計(jì)算機(jī)1350控制SLM1316的調(diào)制使δ增加π/2而且優(yōu)選使探測(cè)器1330的圖像采集同步。方程式55的運(yùn)算能被實(shí)時(shí)地完成；因此顯示相位圖像的速度在優(yōu)選的實(shí)施方案中只受探測(cè)器1330的采集時(shí)間和SLM1316的刷新率限制。
反射幾何學(xué)依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案也能包括諸如在透射幾何學(xué)中使用的照明1360。適當(dāng)?shù)耐干湔彰髂Ｊ桨ǖ幌抻诿饕晥?chǎng)和暗視場(chǎng)模式。如同依照本發(fā)明在透射幾何學(xué)中那樣，關(guān)于照明光源的相干性性質(zhì)沒有特殊的要求。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能使用激光、部份相干的輻射或諸如來自放電燈之類光源的“白”光。然而，照明光源應(yīng)該有好的空間相干性。
依照本發(fā)明在反射幾何學(xué)中，相干的低頻電磁場(chǎng)和高頻電磁場(chǎng)也是同一光束的組份并因此分享共向光程。因此，低頻組份和高頻組份以類似的方式受相位噪聲影響，而且本發(fā)明的系統(tǒng)的各種不同實(shí)施方案能被看作是無光學(xué)噪聲的定量相襯顯微鏡。例如，在各種不同的實(shí)施方案中，λ/1000的相位靈敏度在任意的采集時(shí)標(biāo)范圍內(nèi)都是可能的。
在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供利用空間光波調(diào)制的相襯顯微鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括成像組件和相位成像組件。成像組件和相位成像組件能，例如，被獨(dú)立地建造，從而使它們更容易用于現(xiàn)有的光學(xué)顯微鏡。
被統(tǒng)稱為圖54的圖54A和54B示意地舉例說明將本發(fā)明與光學(xué)顯微鏡整合的一個(gè)實(shí)施方案1400。低頻組份和高頻組份兩者的路徑外邊界為了清楚起見沒有在圖54中舉例說明。除此之外，光束的發(fā)散在圖54中為了看得見被放大。
相位成像頭1450能使用，例如，顯微鏡的視頻輸出與光學(xué)顯微鏡1410對(duì)接。光學(xué)顯微鏡1410包括能操縱光波使之從樣品1420到顯微鏡視頻輸出的一對(duì)透鏡L11412、L21414和反射鏡1416。通常，一部分光波被分光鏡1424引向?yàn)榱斯┤祟愌劬?430觀看將光波聚焦的目鏡1426。
相位成像頭1450包括用來在空間光波調(diào)制器(SLM)1456上形成圖像的傅立葉變換的透鏡L31454。SLM1456的中心區(qū)域能相對(duì)于SLM的其余部分把可控制的相移δ應(yīng)用于入射光束1460的中心區(qū)域并反射整個(gè)入射光束1460。入射光束1460的中心區(qū)域?qū)?yīng)于低空間頻率波。透鏡L31454也充當(dāng)4-f系統(tǒng)的第二透鏡，在諸如CCD之類使用分光鏡BS 1472的探測(cè)器1470上形成最后的圖像。
SLM的控制和樣品的圖像采集可以被完成，例如，使用控制SLM1456的調(diào)制使δ增加π/2并優(yōu)選使探測(cè)器1470的圖像采集同步的計(jì)算機(jī)1480。計(jì)算機(jī)可以是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，例如，備有相位成像頭，或者“計(jì)算機(jī)”能包括依照本發(fā)明駐留在與顯微鏡相關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)上的指令。方程式55的運(yùn)算能被實(shí)時(shí)地完成；因此，顯示相位圖像的速度在優(yōu)選的實(shí)施方案中只受探測(cè)器1470的采集時(shí)間和SLM1456的刷新率限制。
在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)的橫向分辨率能借助4-f系統(tǒng)的擴(kuò)充得到改善。4-f系統(tǒng)能用于透射幾何學(xué)和反射幾何學(xué)。除此之外，4-f系統(tǒng)能用于包括標(biāo)定系統(tǒng)的系統(tǒng)。4-f系統(tǒng)使利用對(duì)圖像完成的其它傅立葉操作變得容易。
圖55示意地舉例說明本發(fā)明方法利用4-f系統(tǒng)的系統(tǒng)1500和方法的一個(gè)實(shí)施方案。該4-f系統(tǒng)包括一對(duì)透鏡L41504、L51506，而且能包括空間濾波器F 1508?？臻g濾波器F 1508提供個(gè)別空間頻率的振幅控制。與依照本發(fā)明由SLM提供的相位控制相結(jié)合，所述振幅控制使，例如，研究細(xì)胞里面的小細(xì)胞器變得容易，因?yàn)楦哳l組份的增強(qiáng)能改善對(duì)比度。人們能想象空間濾波器F能優(yōu)先衰減某些空間頻率的其它應(yīng)用。
4-f系統(tǒng)能被加到本發(fā)明的各種不同的透射幾何學(xué)實(shí)施方案和反射幾何學(xué)實(shí)施方案上。反射光源(例如，圖53中的第二照明光源1302)能很容易地依照本發(fā)明被原本熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人使用本發(fā)明提供的揭示加到圖55的實(shí)施方案中。
用于利用空間光波調(diào)制的相襯顯微鏡的系統(tǒng)和方法有各式各樣的應(yīng)用。例如，這些系統(tǒng)和方法能用來使微米級(jí)和納米級(jí)的結(jié)構(gòu)成像。重要類別的應(yīng)用在于研究細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)的組織、動(dòng)力學(xué)和行為。通過將共向光程用于低頻組份和高頻組份提供的穩(wěn)定性，以及按透射模式和反向散射模式完成測(cè)量的能力使本發(fā)明的各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案適合在延長(zhǎng)的時(shí)間周期(從幾個(gè)小時(shí)到數(shù)天)里研究單一細(xì)胞和細(xì)胞全體。因此，在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案提供的相位成像被用來提供關(guān)于細(xì)胞的緩慢動(dòng)態(tài)過程的信息，例如，活細(xì)胞在從有絲分裂到細(xì)胞死亡的生命周期中的大小和形狀變化。
在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)被用來以納米精度研究細(xì)胞在分裂之后的分離過程和提供關(guān)于細(xì)胞膜的尺寸、性質(zhì)或兩者的信息。近來已受到特別關(guān)注的現(xiàn)象是程序性細(xì)胞死亡——凋亡。假定凋亡能在實(shí)驗(yàn)室中受到控制，在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)被用來研究在這個(gè)過程中誘發(fā)的細(xì)胞變形。在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)用來研究和探測(cè)各種不同類型的細(xì)胞(例如，癌細(xì)胞與正常細(xì)胞)的生活周期的差異。
人們期望細(xì)胞融合層有能導(dǎo)致集體機(jī)械行為的某種程度的共有的相互作用。在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)用來研究這種共有的相互作用，例如，通過完成依照本發(fā)明獲得的相位圖像的不同點(diǎn)之間的交叉相關(guān)。
由本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案提供的相位成像也能用來提供關(guān)于細(xì)胞的快速動(dòng)態(tài)過程的信息，例如，對(duì)刺激的反應(yīng)。例如，諸如細(xì)胞體積調(diào)整之類的過程是活細(xì)胞對(duì)生物化學(xué)刺激的反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)的時(shí)標(biāo)可能在從數(shù)毫秒到數(shù)分鐘之間而且應(yīng)該能使用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實(shí)施方案非常準(zhǔn)確地測(cè)量。在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)用來研究細(xì)胞對(duì)生物化學(xué)刺激的反應(yīng)并且測(cè)量細(xì)胞結(jié)構(gòu)(例如，細(xì)胞骨架)的機(jī)械性質(zhì)。
在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)用來研究有重大意義的細(xì)胞結(jié)構(gòu)信息，例如理解細(xì)胞中細(xì)胞器的轉(zhuǎn)運(yùn)現(xiàn)象以及創(chuàng)造人造生物材料。在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)用來研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)，例如，通過使用機(jī)械振動(dòng)刺激細(xì)胞膜并測(cè)量細(xì)胞膜振蕩的振幅以便，例如，使它們與細(xì)胞機(jī)械性質(zhì)和細(xì)胞物質(zhì)發(fā)生關(guān)系。傳統(tǒng)上，使用磁性的或捕集的珠子來刺激這種運(yùn)動(dòng)。在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)用來使用磁性的或捕集的珠子刺激機(jī)械振動(dòng)、毫微微秒激光脈沖的光子壓力引起機(jī)械刺激或兩者來研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
一類重要的應(yīng)用是研究胞內(nèi)組織和細(xì)胞器動(dòng)力學(xué)。在各種不同的優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)用來研究各種不同的粒子在細(xì)胞里面的轉(zhuǎn)運(yùn)。
除了生物學(xué)研究的多樣性之外，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案還適合工業(yè)應(yīng)用，例如，研究半導(dǎo)體的納米結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體工業(yè)缺乏在納米級(jí)加工過程中晶片質(zhì)量的可靠的快速檢驗(yàn)。在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)用來提供關(guān)于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的納米級(jí)信息，例如，以定量的方式。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，納米級(jí)信息擁有大約一秒的測(cè)量結(jié)果。
圖56示意地舉例說明依照本發(fā)明利用空間光波調(diào)制(SLM)的相襯顯微鏡系統(tǒng)1600的一個(gè)實(shí)施方案。以1600舉例說明的系統(tǒng)能使用反射幾何學(xué)和透射幾何學(xué)。除此之外，該系統(tǒng)擁有標(biāo)定子系統(tǒng)。
參照?qǐng)D56，一對(duì)透鏡、物鏡透鏡L11607和管透鏡L21606使樣品1610使用反射鏡1613在平面P 1612成像。成像可以是使用透射幾何學(xué)完成的，例如，通過光纖耦合器(FC)1614和來自第一照明光源1620(在這里被舉例說明為氦氖(HENE)激光源)的第一光纖1616光波與樣品1610耦合。成像也能使用反射幾何學(xué)完成，例如，通過FC 1614和第二光纖1622耦合來自第二照明光源1624(在這里被舉例說明為SLD)的光波再使用第一分光鏡1626把來自第二照明光源1624的光波引到樣品1610上。
透鏡L31630用來在第一空間光波調(diào)制器(SLM)1632上形成圖像的傅立葉變換。SLM1632用來把可控制的相位偏移δ加到入射光束1634的中心區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施方案中，透鏡L3充當(dāng)4-f系統(tǒng)的第二透鏡1630使用第二分光鏡1638在第一探測(cè)器1636(在這里被舉例說明為CCD)上形成最后的圖像。在一個(gè)實(shí)施方案中，圖56所示的系統(tǒng)進(jìn)一步包括第二個(gè)4-f系統(tǒng)，例如，在圖49中示意地舉例說明的。圖50的系統(tǒng)也包括用來標(biāo)定SLM的標(biāo)定子系統(tǒng)。標(biāo)定光波的路徑是用虛線1640示意地舉例說明的，而照明光波和成像光波的路徑是用實(shí)線1642示意地舉例說明的。標(biāo)定子系統(tǒng)使用一對(duì)透鏡L41652和L51654(形成光束擴(kuò)張器)收集一部分來自第一分光鏡1626的光波并且通過能用來在相位模式和振幅模式之間切換SLM操作的偏振片Pc1656傳送該光波。為了標(biāo)定，SLM1658按振幅模式從頭到尾掃描從0到2π的相位偏移，因此產(chǎn)生的移相光波當(dāng)它通過偏振片返回的時(shí)候被衰減。然后，光波通過透鏡L61660被收集起來并且在探測(cè)器1664上聚焦。
多種裝置和方案能用來控制圖50的系統(tǒng)和標(biāo)定相位圖像。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一控制單元PC11670被用于借助第一探測(cè)器1636的圖像采集，而第二控制單元PC21672用來控制第一和第二SLM1632、1658和通過示波器1674收集來自探測(cè)器1664的數(shù)據(jù)?？刂茊卧狿C1，PC2可能是分開的單元或單一單元。例如，PC1和PC2可能是分開的計(jì)算機(jī)或同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，所述的控制單元可以包括適合實(shí)現(xiàn)控制單元的功能的模擬和/或數(shù)字電路。
在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法包括例如使用微透鏡的動(dòng)態(tài)焦點(diǎn)。在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法包括平行的焦點(diǎn)以便，例如，使樣品上的兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)同時(shí)成像。在各種不同的實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法包括適合于，例如，在深度方面同時(shí)訪問幾個(gè)點(diǎn)的相干函數(shù)。
本發(fā)明利用空間光波調(diào)制的相襯顯微鏡系統(tǒng)能按兩種模式操作。在第一種模式(此后被稱為“振幅模式”)中，獲得傅立葉濾波并完成標(biāo)定。在第二種模式(此后被稱為“相位模式”)中，重建光波的波陣面并完成相位成像。
在各種不同的實(shí)施方案中，在“相位模式”中，沒有在SLM前面的偏振片，而且光波對(duì)準(zhǔn)SLM的快速軸。入射光波是被移相，例如，按照在SLM上編址的數(shù)值。
在“振幅模式”中，偏振片放在SLM的前面。SLM上的入射光波是被移相位(如同，例如，在“相位模式”中那樣)，而且偏振是旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)光波從SLM反射的時(shí)候，它通過偏振片返回，而且該信號(hào)被衰減。因此，在振幅方面有基于SLM相移的標(biāo)定減少。
圖57A和57B示意地舉例說明在振幅模式1700和相位模式1750中在圖像的象素上的光電效應(yīng)，其中Ei1702、1752是入射波陣面的電場(chǎng)發(fā)射，s軸1704、1754是SLM的慢速軸，而f軸1706、1756是SLM的快速軸。
圖58A-58C是SLM操作模式的各種不同實(shí)施方案的方框圖1800、1850、1855。圖58A舉例說明用于相位成像的設(shè)置的正常操作模式而且描述SLM操作。RGB 1802是控制單元(例如，計(jì)算機(jī))獲得的灰度值，它控制SLM(RGB到是在標(biāo)定中確定的)。RGB被轉(zhuǎn)換成電壓而且用來確定象素在SLM1804上的地址。該電壓被加到，例如，SLM上的液晶上，把相位偏移給予入射光波1806。標(biāo)定結(jié)果能在振幅模式中獲得。圖58B舉例說明發(fā)生在標(biāo)定中的轉(zhuǎn)化。強(qiáng)度是作為灰度圖像的函數(shù)使用探測(cè)器1852(例如，光電探測(cè)器)獲得的。然后，作為灰度圖像的函數(shù)的強(qiáng)度被作為灰度的函數(shù)1854轉(zhuǎn)換成相位。圖58C舉例說明控制-相位模式而且舉例說明在各種不同的實(shí)施方案中標(biāo)定結(jié)果(灰度)是怎樣變成SLM控制和SLM引起的實(shí)際相移之間關(guān)系的。從此，例如，人們能制訂用于該儀器的標(biāo)定查詢表。然后作為灰度的函數(shù)的相位被用來產(chǎn)生灰度圖像1856(例如，用于計(jì)算機(jī)上的顯示器)并且與SLM所引起的相移1858相關(guān)聯(lián)。
圖59是對(duì)按振幅模式操作的儀器獲得的標(biāo)定曲線1900的例子。標(biāo)定曲線1900是以弧度為單位的相移1902隨以RGB數(shù)值為單位的灰度1904變化的曲線。所獲得的合量曲線1906以標(biāo)定查詢表的格式展示SLM的計(jì)算機(jī)控制和SLM引起的實(shí)際相移之間的關(guān)系。圖59能作為標(biāo)定查詢表。曲線1906中的分離點(diǎn)1908是相位的重疊。
實(shí)施例提供了一些依照本發(fā)明使用透射幾何學(xué)的實(shí)施例和一些依照本發(fā)明使用反射幾何學(xué)的實(shí)施例。出現(xiàn)在，例如，在圖62-66B中的旋轉(zhuǎn)展開記號(hào)法表明2π模糊度已被消除。
實(shí)施例1標(biāo)定樣品的相位成像在這個(gè)實(shí)施例中，標(biāo)定好的樣品已被研究并且舉例說明本發(fā)明能以納米(nm)刻度提供定量信息。樣品由玻璃基體上的金屬沉積物組成，然后被蝕刻。金屬沉積物圖案呈數(shù)字“8”的形狀而且金屬層的厚度是用顯微光波干涉儀實(shí)測(cè)的大約140nm。
圖60A-60D展示使用反射幾何學(xué)的系統(tǒng)以四種不同的相移δ獲得的圖像。圖60A是δ＝0的圖像2000；圖60B是δ＝π的圖像2200；圖60C是δ＝π/2的圖像2400；而圖60D是δ＝3π/2的圖像2600。
圖61示意地舉例說明電場(chǎng)矢量E 2102和該電場(chǎng)的高頻波矢量組份EH和該電場(chǎng)的低頻波矢量組份EL之間的關(guān)系2100。如圖61所示，Y軸2110和X軸2112代表CCD象素尺寸。相位是物體的“真實(shí)”相位。
圖62是使用數(shù)據(jù)(例如，圖60A-60D中舉例說明的數(shù)據(jù))和方程式55產(chǎn)生的標(biāo)定樣品2200的圖像。在圖62中，Y軸2202和X軸2204兩者都以CCD上的象素為單位。圖62右邊的標(biāo)尺2206代表以弧度為單位Δ。
圖63是使用依照本發(fā)明的系統(tǒng)和方法標(biāo)定的樣品2300的相位圖像。圖63是使用方程式56和數(shù)據(jù)(例如，圖62舉例說明的數(shù)據(jù))產(chǎn)生的。圖63也能使用方程式55和56和數(shù)據(jù)(例如圖60A-60D舉例說明的數(shù)據(jù))產(chǎn)生。Y軸2302和X軸2304都以在CCD象素為單位而垂直的標(biāo)尺2306以nm為單位。
如圖63所示，人們能看到沉積金屬圖案2310的高度已被正確地恢復(fù)，以舉例說明本發(fā)明的系統(tǒng)和方法提供定量特征信息的能力。相位圖像2300中存在的噪聲主要是由用于記錄的低質(zhì)量(8位)照相機(jī)造成的。
實(shí)施例2相柵的相位成像圖64展示使用透射幾何學(xué)獲得的有名義上10微米寬和名義上266nm深的溝槽的相柵的相位圖像2400。在圖64中，Z軸2402以nm為單位，Y軸2404和X軸2406以CCD象素為單位。垂直標(biāo)尺2408也以nm為單位并且是為了進(jìn)一步幫助依據(jù)相位圖像2400確定深度(Z軸尺寸)而提供的。
實(shí)施例3洋蔥細(xì)胞的相位圖像在這個(gè)實(shí)施例中，洋蔥細(xì)胞是依照本發(fā)明使用透射幾何學(xué)相位成像的。洋蔥細(xì)胞的強(qiáng)度圖像2500被展示在圖65中以便與在圖66中展示的相位圖像2550進(jìn)行比較。在圖65和圖66中，y-軸2502、2552和x-軸2504、2554都以CCD象素為單位。圖66中的標(biāo)尺2556以nm為單位。
強(qiáng)度圖像(圖65)代表在低頻組份和高頻組份之間沒有相位偏移δ＝0的情況下取得的第一幀。如比較圖65和圖66所示，常規(guī)顯微鏡(強(qiáng)度)圖像相對(duì)于依照本發(fā)明獲得的相位圖像有非常低的反差。如同在圖66中見到的那樣，在相位圖像中反差被大大提高，在這種情況下，精細(xì)得多的細(xì)胞結(jié)構(gòu)能被區(qū)分開。除此之外，相位圖像中的信息被定量到納米水平的精度而且能根據(jù)電磁場(chǎng)通過該細(xì)胞的光程長(zhǎng)度換算。這個(gè)類型的信息代表不僅與常規(guī)光學(xué)顯微鏡有關(guān)而且與傳統(tǒng)的相襯和Nomarski顯微鏡有關(guān)的很大的改進(jìn)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括使用相干分解把低相干性光學(xué)像場(chǎng)分解成兩個(gè)能被可控制地相對(duì)于對(duì)方偏移相位的不同的空間組份以開發(fā)相位成像儀器。這種技術(shù)把典型的光學(xué)顯微鏡轉(zhuǎn)變成以高準(zhǔn)確性和λ/5500的靈敏度為特色的定量相襯顯微鏡。在活的生物細(xì)胞上獲得的結(jié)果暗示依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的儀器對(duì)于定量地研究生物學(xué)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)有很大的潛力。
相襯和差動(dòng)干涉對(duì)比(DIC)顯微鏡能夠提供透明生物結(jié)構(gòu)的高反差強(qiáng)度圖像，無需樣品準(zhǔn)備。在光波相位中編碼的結(jié)構(gòu)信息通過干涉過程被重新獲得。然而，盡管兩種技術(shù)都揭示橫斷(x-y)平面中的樣品結(jié)構(gòu)，但是在縱軸(z)上提供的信息在很大程度上是定性的。
如同本文在前面描述的那樣，移相干涉測(cè)量法已經(jīng)在相位樣品的定量度量衡學(xué)中使用相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，而且各種不同的干涉測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被提出。由于空氣波動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)自然地出現(xiàn)在任何干涉儀中的相位噪聲使與光學(xué)領(lǐng)域相關(guān)聯(lián)的相位的定量恢復(fù)變成實(shí)踐中的具體挑戰(zhàn)。優(yōu)選的實(shí)施方案包括相關(guān)的波長(zhǎng)以便克服這個(gè)障礙。
此外，已經(jīng)為全場(chǎng)相位成像以耗時(shí)的數(shù)字計(jì)算為代價(jià)推薦以輻射照度遷移方程為基礎(chǔ)的非干涉測(cè)量技術(shù)。和激光輻射一起使用空間光波調(diào)制以獲得λ/30靈敏度的相位圖像。自動(dòng)移相的數(shù)字式記錄干涉顯微鏡(DRIMAPS)是利用傳統(tǒng)的干涉顯微鏡提供生物樣品的相位圖像的方法。雖然在DRIMAPS中沒有采取預(yù)防最終限制任何相位測(cè)量技術(shù)的靈敏度的相位噪聲的措施，但是這個(gè)儀器應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)的潛力已被證實(shí)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括作為用于生物學(xué)研究的新儀器的低相干性相襯顯微鏡(LCPM)。這種技術(shù)把傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡轉(zhuǎn)變成以非常好的準(zhǔn)確性和極低的噪聲為特色的定量相襯顯微鏡。這項(xiàng)技術(shù)的原理依賴相干分解把與光學(xué)圖像相關(guān)聯(lián)的電磁場(chǎng)分解成它的空間平均的和在空間上變化的電磁場(chǎng)，這些電磁場(chǎng)能可控制地相對(duì)于對(duì)方移相。令E(x，y)是假定在整個(gè)空間域上靜止的復(fù)數(shù)像場(chǎng)。這個(gè)場(chǎng)能被表示成E(x，y)＝E0+E1(x，y) (57)
其中E0是空間平均值，E1是E在空間變化的組份。因此，任何圖像都能被視為平面波(平均電磁場(chǎng))和空間上變化的電磁場(chǎng)之間的干涉現(xiàn)象的結(jié)果。人們應(yīng)該注意到，作為中心正確定理的結(jié)果，E0和E1能在圖像的每個(gè)點(diǎn)中被比作電磁場(chǎng)E的零-和高-空間頻率組份。所以，這兩個(gè)空間組份能通過完成傅立葉分解很容易被分開和被獨(dú)立地進(jìn)行相位調(diào)制。
實(shí)驗(yàn)組件是在圖67中描繪的。倒裝顯微鏡(Axioert35，ZeissC0.)用來使樣品在圖像平面IP成像。由超級(jí)發(fā)光二極管發(fā)出的低相干性電磁場(chǎng)(中心波長(zhǎng)在范圍800-850中，例如，λ0＝824nm、帶寬Δλ＝21nm，或者作為替代λ0＝809nn、Δλ＝20nm)被用于透射法。為了保證照明電磁場(chǎng)的全空間相干性，光波被耦合到單模光纖之中而且隨后用光纖準(zhǔn)直儀準(zhǔn)直。從圖像顯現(xiàn)出來的光線痕跡用點(diǎn)線和連續(xù)線分別表示對(duì)應(yīng)于電磁場(chǎng)E0和E1的不偏斜光波和高空間頻率組份。為了把像場(chǎng)分解成方程式57中描述的組份，傅立葉透鏡FL(50cm焦距)被放在距圖像平面IP焦距的地方。人們?cè)趫D67中能看到，在IP處形成的顯微鏡圖像似乎是用作為用于照明的光纖末端的顯微鏡圖像的虛擬點(diǎn)光源(VPS)照明的。所以，為了在FL的后焦平面獲得像場(chǎng)的精確的(相位和振幅)傅立葉變換，校正透鏡CL被放置在平面IP處。CL的焦距是這樣的，以致VSP在無限遠(yuǎn)處成像；因此，樣品的新圖像保持它的位置和放大倍數(shù)，而且它似乎是用平面波照明的。在FL的傅立葉平面中，零空間頻率組份E0在光軸上聚焦，而高頻組份E1是離軸分布的。為了控制E0和E1之間的相位延遲，可編程的相位調(diào)制器(PPM)(Hamamatsu Co.)被放在傅立葉平面之中。PPM由光學(xué)編址的二維液晶陣列組成，它由于雙折射性質(zhì)在其表面反射的光波的相位范圍內(nèi)提供精確控制。在PPM表面上最小的可設(shè)定地址的面積是20×20μm2或作為替代是26×26μm2，而相位控制的動(dòng)態(tài)范圍在一個(gè)波長(zhǎng)或2π范圍內(nèi)是8位。該P(yáng)PM能以空間分辨方式修正入射電磁場(chǎng)的相位(操作的相位模式)或振幅(振幅模式)，取決于偏振片P相對(duì)于液晶主軸的取向。被PPM反射的光波通過FL往回傳播，并且在分光鏡BS上反射之后被放在IP的共軛位置的CCD收集。因此，在缺乏PPM調(diào)制時(shí)，在IP處圖像的精確的相位和振幅復(fù)制品被CCD記錄。高空間頻率組份的相位是按四個(gè)π/2增量連續(xù)地增加的，而且由此產(chǎn)生的輻照度分布能用CCD記錄。PPM上的相位調(diào)制和CCD的采集速率是靠使用，例如，LabVIEW(美國(guó)國(guó)家儀器公司)的計(jì)算機(jī)PC同步的。使用標(biāo)準(zhǔn)的4-幀相移干涉測(cè)量法，E1和E0之間的相位差Δ能被測(cè)量。它能被展示作為重要數(shù)量與像場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的空間相位分布有如下的表達(dá)式。
φ(x,y)=tan-1[β(x,y)sin[Δφ(x,y)]1+β(x,y)cos[Δφ(x,y)]]---(58)]]>在方程式58中，因子β代表兩個(gè)電磁場(chǎng)組份的振幅比，β(x，y)＝|E1(x，y)|/|E2|。參數(shù)β被測(cè)量，從而與π/2波平面(振幅模式)一樣操作有選擇地完成兩個(gè)空間頻率組份濾波的PPM。因此，使用方程式58，給定的透明樣品的空間相位分布能被唯一地重新獲得。傅立葉平面中同軸調(diào)制面積的最佳數(shù)值被發(fā)現(xiàn)是160×160μm2，而在同一平面與光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的基于FWHM強(qiáng)度的衍射斑點(diǎn)有大約100μm的直徑。由于方程式58的數(shù)字計(jì)算事實(shí)上是刻不容緩的，所以相位圖像重新獲得的速度只受PPM的刷新率限制，該刷新率在一個(gè)實(shí)施方案中是8Hz。然而，總的技術(shù)速度能通過使用諸如鐵電液晶之類其它的空間調(diào)制器被潛在地增加。
為了證明它實(shí)現(xiàn)定量相位成像的潛力，LCPM技術(shù)被應(yīng)用于研究各種不同的標(biāo)準(zhǔn)樣品。圖68A和68B展示從聚苯乙烯微球成像獲得的這種測(cè)量結(jié)果的實(shí)例。粒子直徑是由制造商(DukeScientific)提供的3±0.045μm。為了更好地模擬透明的生物樣品，球體浸沒在100％丙三醇中然后被夾在兩個(gè)蓋玻片之間。在粒子和周圍介質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)的折射指數(shù)差是Δn＝0.12。在沒有PPM上的調(diào)制的情況下，獲得圖68A展示的典型的透射強(qiáng)度圖像。人們能看到這幅圖像的反差由于樣品的透明度非常不令人滿意。圖68B展示用上述的程序大綱獲得的LCPM圖像。在這里，所獲得的反差實(shí)質(zhì)上是比較高的，而第三維(Z軸)提供關(guān)于樣品厚度的定量信息。使用通過圖68B展示的球體中心的輪廓描繪，從對(duì)應(yīng)的直徑獲得的數(shù)值是2.97±7.7％，這與制造商指出的數(shù)值很好地一致?，F(xiàn)有的誤差可能是光束質(zhì)量不完美和溶液中存在的潛在雜質(zhì)造成的。
LCPM工具被進(jìn)一步用來形成活生物細(xì)胞的相位圖像。圖69A展示HeLa癌細(xì)胞有絲分裂最后階段的定量相位圖像。人們應(yīng)該注意到，細(xì)胞被培養(yǎng)介質(zhì)包圍著，在成像之前生活在典型的培養(yǎng)條件下沒有任何附加的準(zhǔn)備。先前已指出經(jīng)過生物細(xì)胞傳播的電磁場(chǎng)累積的相位延遲與細(xì)胞的非水質(zhì)量成比例。因此，定量的相位圖像應(yīng)該在諸如有絲分裂、細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡之類各種不同的細(xì)胞生理學(xué)階段的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)學(xué)自動(dòng)分析方面找到重要的應(yīng)用。
全血涂片的相位圖像被展示在圖69B中。樣品是通過簡(jiǎn)單地把一小滴健康志愿者的新鮮全血夾在兩個(gè)蓋玻片之間制備的。人們能看到紅血球(RBC)眾所周知的扁圓形狀被恢復(fù)?？紤]血色素相對(duì)于血漿的折射指數(shù)的簡(jiǎn)單分析很容易提供關(guān)于細(xì)胞體積的定量信息。RBC分析中的這種細(xì)節(jié)水平當(dāng)前僅僅適用于電子和原子力顯微鏡。非侵入的光學(xué)技術(shù)有可能提供病理快速篩選程序，因?yàn)楸娝苤氖荝BC形狀往往是細(xì)胞健康的好指標(biāo)。除此之外，這項(xiàng)依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的技術(shù)能監(jiān)測(cè)的RBC細(xì)胞膜和周圍蛋白質(zhì)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)性質(zhì)，是血液凝結(jié)的原因。
為了評(píng)估儀器對(duì)抗相位噪聲的穩(wěn)定性并最終定量描述它的靈敏度，使只裝了培養(yǎng)介質(zhì)(沒有細(xì)胞)的細(xì)胞容器在100分鐘的時(shí)間周期里按15秒的間隔成像。圖69C展示與包含在視場(chǎng)中的某點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的瞬時(shí)相位起伏的實(shí)例。相位數(shù)值是在0.6×0.6μm2的面積上的平均值，它代表顯微鏡的橫向分辨率極限。這些起伏的標(biāo)準(zhǔn)偏差有0.15nm的數(shù)值，等價(jià)于λ/5500。結(jié)果證明LCPM儀器的非凡的靈敏度。表征儀器特色的極低的噪聲能用兩個(gè)相干的電磁場(chǎng)在空間上彼此重疊并且受類似的在干涉項(xiàng)中最終被抵消的相位噪聲影響的光程中傳播這一事實(shí)解釋。與激光輻射相反，低相干性電磁場(chǎng)的使用有利于該方法的靈敏度，因?yàn)樵诟鞣N不同的組份上的多重反射可能形成的條紋被消除。
因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括以高準(zhǔn)確性和λ/5500水平的靈敏度為特征的低相干性相襯顯微鏡。關(guān)于活的癌細(xì)胞和紅血球的初步結(jié)果暗示所述的裝置和方法有潛力變成用于生物學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究的有價(jià)值的工具。通過把傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡并入該系統(tǒng)組件，依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的儀器以高度的多功能性和特別容易使用為特征。
權(quán)利要求不應(yīng)該被錯(cuò)誤地當(dāng)作局限于所描述的次序或元素，除非對(duì)那種效果另有說明。所以，所有出現(xiàn)在權(quán)利要求書及其等價(jià)文件的范圍和精神范圍內(nèi)的實(shí)施方案都在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用來測(cè)量經(jīng)過一部分媒介物的光波的相位的方法，該方法包括下述步驟提供光波的第一波長(zhǎng)；沿著第一光程和第二光程引導(dǎo)第一波長(zhǎng)的光波，第一光程延伸到要測(cè)量的媒介物上，而和第二路徑在路徑長(zhǎng)度方面經(jīng)歷改變；以及探測(cè)來自媒介物的光波和來自第二光程的光波，以便測(cè)量通過媒介物上兩個(gè)分開的點(diǎn)的光波的相位改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述媒介物包含生物組織的樣品。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括至少提供光電二極管陣列和與光電二極管耦合的纖維束之一以使樣品的相位在眾多位置同時(shí)成像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括頻移第二光程中的光波的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括借助至少兩個(gè)光電探測(cè)器探測(cè)相位變化的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括提供發(fā)射第一波長(zhǎng)的氦氖激光光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括提供低相干光源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括提供在基準(zhǔn)平面和樣品之間的第一間隙和在第二基準(zhǔn)平面和第三基準(zhǔn)平面之間的第二間隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，進(jìn)一步包括經(jīng)歷位移的第一反射表面和與低相干性來源光學(xué)耦合的第二反射表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括使用偏振區(qū)分樣品間隙信號(hào)和基準(zhǔn)間隙信號(hào)的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括把樣品放在第一反射表面和第二反射表面之間。
12.一種雙光束測(cè)量系統(tǒng)，其中包括光源；把來自光源的光波分成在第一光程上的第一組份和在第二光程上的第二組份的分光鏡；改變第一光程長(zhǎng)度的第一活動(dòng)反射表面；改變第二光程長(zhǎng)度的第二活動(dòng)反射表面；把來自第一光程和第二光程的光波引向要測(cè)量的媒介物的合成器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述合成器包括偏振光束分光鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述合成器把來自第一光程和第二光程的光波引向有通過間隙與第二反射表面分開的第一反射表面的基準(zhǔn)面。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中要測(cè)量的媒介物包括放在第一反射表面和第二反射表面之間的組織。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述的組織包含神經(jīng)組織。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括使來自第一光程的光波聚焦在媒介物的第一側(cè)面上而且使來自第二光程的光波聚焦在在媒介物的第二側(cè)面上的透鏡系統(tǒng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括把光波引向第一偏振探測(cè)器和第二偏振探測(cè)器的第二合成器。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中來自第一路徑的光波被引向有第一偏振組份的媒介物和有第二偏振組份的基準(zhǔn)面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中來自第二路徑的光波被引向有與來自第一路徑的光波正交的偏振作用的媒介物。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中從第二路徑引向基準(zhǔn)面的光波與從第一路徑引向基準(zhǔn)面的光波正交。
22.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述組織包括癌組織。
23.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述光源包括低相干光源。
24.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括光纖耦合器。
25.一種用來測(cè)量通過一部分樣品的光波的相位特性的方法，該方法包括下述步驟提供分別由第一光源和第二光源產(chǎn)生的第一信號(hào)和第二信號(hào)，第二光源是低相干光源；沿著第一光程和第二光程引導(dǎo)第一信號(hào)和第二信號(hào)；改變第一光程和第二光程之間的路徑長(zhǎng)度差；產(chǎn)生指示第一和第二信號(hào)與它們之間的光程延遲之和的輸出信號(hào)；在干涉儀鎖定調(diào)制頻率下調(diào)制輸出信號(hào)；以及借助干涉儀鎖定相位的時(shí)間變化確定與樣品相互作用的光波的相位。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中第一信號(hào)和第二信號(hào)是低相干性信號(hào)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，進(jìn)一步包括通過使用混頻器或鎖定放大器之一解調(diào)第一信號(hào)。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，進(jìn)一步包括用電子學(xué)方法產(chǎn)生干涉儀鎖定相位。
29.一種用來測(cè)量通過一部分樣品的光波的相位的系統(tǒng)，其中包括產(chǎn)生第一信號(hào)的第一光源；干涉儀，干涉儀產(chǎn)生第二信號(hào)，第二信號(hào)具有由于時(shí)間延遲與第一信號(hào)分開的兩個(gè)脈沖的；來自干涉儀與樣品聯(lián)系的第一光程，和來自干涉儀與基準(zhǔn)面聯(lián)系的第二光程；以及探測(cè)器系統(tǒng)，該探測(cè)器系統(tǒng)測(cè)量分別來自樣品和基準(zhǔn)面的第一和第二信號(hào)和從樣品和基準(zhǔn)面反射的光波之間的干涉的第一外差信號(hào)；并且探測(cè)指示樣品反射相對(duì)于基準(zhǔn)反射的相位的外差信號(hào)的相位。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中第一信號(hào)是低相干性信號(hào)。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中第一光源是超級(jí)發(fā)光二極管和多模激光二極管之一。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中干涉儀進(jìn)一步包括第一路徑和第二路徑，第二路徑有聲光調(diào)制器。
33.根據(jù)權(quán)利要求29的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括包含光學(xué)纖維的光路。
34.根據(jù)權(quán)利要求29的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括有至少5nm帶寬的低相干性信號(hào)。
35.根據(jù)權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括隔震的外差式Michelson干涉儀。
36.根據(jù)權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中所述的干涉儀進(jìn)一步包括附著到平移臺(tái)上的可控制地調(diào)節(jié)光程長(zhǎng)度差的反射鏡。
37.根據(jù)權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中所述的探測(cè)器系統(tǒng)包括探測(cè)來自樣品的反射信號(hào)的第一探測(cè)器和探測(cè)來自基準(zhǔn)面的反射信號(hào)的第二探測(cè)器。
38.一種用來使樣品成像的方法，該方法包括下述步驟照明樣品，源于樣品上的點(diǎn)的光波有低頻空間組份和高頻空間組份；沿著共向光程使高頻率空間組份與低頻空間組份相干以產(chǎn)生第一強(qiáng)度信號(hào)；移動(dòng)低頻空間組份的相位以產(chǎn)生第一相移低頻率空間組份；沿著共向光程使高頻空間組份與第一相移低頻率空間組份相干以產(chǎn)生第二強(qiáng)度信號(hào)；移動(dòng)低頻空間組份的相位以產(chǎn)生第二相移低頻空間組份；沿著共向光程使高頻空間組份與第二相移低頻空間組份相干以產(chǎn)生第三強(qiáng)度信號(hào)；移動(dòng)低頻空間組份的相位以產(chǎn)生第三相移低頻空間組份；沿著共向光程使高頻空間組份與第三相移低頻空間組份相干以產(chǎn)生第四強(qiáng)度信號(hào)；至少部份地以第一強(qiáng)度信號(hào)、第二強(qiáng)度信號(hào)、第三強(qiáng)度信號(hào)和第四強(qiáng)度信號(hào)為基礎(chǔ)產(chǎn)生樣品上的點(diǎn)的相位圖像。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，進(jìn)一步包括如下步驟通過對(duì)樣品上眾多的點(diǎn)重復(fù)權(quán)利要求1的步驟，從而產(chǎn)生樣品的相位圖像。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中所述的照明步驟包括使用透射照明來照明樣品。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中所述的照明步驟包括使用反射照明來照明樣品。
42.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中所述的照明步驟包括用透射和反射照明兩者照明樣品。
43.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中所述的照明步驟包括用超級(jí)發(fā)光光源照明樣品。
44.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，進(jìn)一步包括控制至少一個(gè)高頻空間組份的振幅的步驟。
45.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，進(jìn)一步包括控制至少一個(gè)低頻空間組份和相移低頻空間組份的振幅的步驟。
46.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中每個(gè)移相步驟都把相位變化低頻空間組份的相位充分地偏移π/2。
47.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中產(chǎn)生相位圖像的步驟至少部份地以下面的等式為基礎(chǔ) 其中 而Iimage(x，y；δ)是在樣品表面上通過高頻空間組份與相移δ的低頻空間組份的相干產(chǎn)生的點(diǎn)(x，y)的強(qiáng)度信號(hào)，β＝I1/I0代表與高頻空間組份相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度I1和與低頻空間組份相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度I0之比。
48.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述的產(chǎn)生樣品相位圖像的步驟包括產(chǎn)生相位靈敏度大于大約λ/1000的樣品相位圖像。
49.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述樣品包括生物組織。
50.根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其中所述樣品包括半導(dǎo)體晶片。
51.一種非接觸式光學(xué)測(cè)量有反射表面的樣品的方法，該方法包括下述步驟提供產(chǎn)生第一信號(hào)的第一光源；使用雙光束干涉儀產(chǎn)生第二信號(hào)，第二信號(hào)具有借助時(shí)間延遲與第一信號(hào)分開兩個(gè)脈沖；提供從干涉儀與樣品聯(lián)系的第一光程和從干涉儀與基準(zhǔn)面聯(lián)系的第二光程；以及測(cè)量分別來自樣品和基準(zhǔn)面的第一和第二信號(hào)的第一外差信號(hào)，和來自樣品和基準(zhǔn)面的反射光波之間的干涉；和探測(cè)指示樣品反射相對(duì)于基準(zhǔn)面反射的相位的外差信號(hào)的相位。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中所述的第一信號(hào)是低相干性信號(hào)。
53.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中所述的第一光源是超級(jí)發(fā)光二極管和多模激光二極管之一。
54.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中所述干涉儀進(jìn)一步包括第一路徑和第二路徑，第二路徑有聲光調(diào)制器。
55.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，進(jìn)一步包括包含光纖的光路。
56.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中所述樣品是一部分神經(jīng)細(xì)胞。
57.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中所述干涉儀包括隔震的外差式Michelson干涉儀。
58.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中所述干涉儀進(jìn)一步包括附著到平移臺(tái)上可控制地調(diào)節(jié)光程長(zhǎng)度差的反射鏡。
59.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中所述的測(cè)定步驟包括有探測(cè)從樣品反射的信號(hào)的第一探測(cè)器和探測(cè)從基準(zhǔn)面反射的信號(hào)的第二探測(cè)器的探測(cè)器系統(tǒng)。
60.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中所述樣品包括生物組織。
61.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，進(jìn)一步包括提供探測(cè)樣品機(jī)械變化的顯微鏡。
62.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中所述樣品包括至少單神經(jīng)元和單層細(xì)胞之一。
63.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中所述的顯微鏡包括雙焦點(diǎn)顯微鏡。
64.一種用來使樣品光學(xué)成像的光纖探頭，其中包括有近端、遠(yuǎn)端和基準(zhǔn)光學(xué)表面的外殼；在外殼近端與光源耦合的光纖；以及在外殼遠(yuǎn)端的折射率漸變透鏡，以致所述探頭的數(shù)值孔徑提供來自樣品的散射表面的有效的光波聚集。
65.根據(jù)權(quán)利要求64的探頭，進(jìn)一步包括把光纖探頭安裝在平移式載物臺(tái)上至少完成二維相位成像和三維共焦相位成像之一的系統(tǒng)。
66.根據(jù)權(quán)利要求65的探頭，其中所述平移式載物臺(tái)包括掃描壓電轉(zhuǎn)換器。
67.根據(jù)權(quán)利要求64的探頭，其中所述探頭的數(shù)值孔徑在大約0.4到0.5的范圍內(nèi)。
68.根據(jù)權(quán)利要求64的探頭，其中所述探頭在活體內(nèi)使生物組織成像。
69.根據(jù)權(quán)利要求64的探頭，其中所述的基準(zhǔn)表面是光纖上的表面。
70.根據(jù)權(quán)利要求64的探頭，其中所述的基準(zhǔn)表面在折射率漸變透鏡上。
71.一種非接觸式光學(xué)測(cè)量眼睛的方法，該方法包括下述步驟提供產(chǎn)生第一信號(hào)和第二信號(hào)的光源；提供來自與眼睛聯(lián)系的干涉儀的第一光程和來自與基準(zhǔn)面聯(lián)系的干涉儀的第二光程；以及響應(yīng)第一信號(hào)和第二信號(hào)用分別從眼睛和基準(zhǔn)面返回的光波測(cè)量第一外差信號(hào)；以及確定指示從眼睛返回的光波相對(duì)于從基準(zhǔn)面返回的光波的相位的第一外差信號(hào)的相位。
72.根據(jù)權(quán)利要求71的方法，其中所述的第一信號(hào)是低相干性信號(hào)。
73.根據(jù)權(quán)利要求71的方法，其中所述的光源是超級(jí)發(fā)光二極管和多模激光二極管之一。
74.根據(jù)權(quán)利要求71的方法，其中所述的干涉儀進(jìn)一步包括第一路徑和第二路徑，第二路徑有聲光調(diào)制器。
75.根據(jù)權(quán)利要求71的方法，進(jìn)一步包括包含光學(xué)纖維的光路。
76.一種用來使材料成像的光波調(diào)制系統(tǒng)，其中包括光源；透鏡系統(tǒng)；空間光波調(diào)制器；探測(cè)與材料相互作用的光波的相位變化的探測(cè)器。
77.根據(jù)權(quán)利要求76的系統(tǒng)，其中所述探測(cè)器形成組織的診斷圖像。
78.根據(jù)權(quán)利要求76的系統(tǒng)，其中所述透鏡系統(tǒng)包括傅立葉透鏡。
79.根據(jù)權(quán)利要求76的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與空間光波調(diào)制器和探測(cè)器連接的處理器。
80.根據(jù)權(quán)利要求76的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與所述系統(tǒng)光學(xué)耦合的低相干光源。
81.根據(jù)權(quán)利要求76的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與所述系統(tǒng)光學(xué)耦合的激光器。
82.一種用來測(cè)量神經(jīng)元活動(dòng)的系統(tǒng)，其中包括光源；使來自光源的光波與有神經(jīng)纖維的組織耦合的光學(xué)系統(tǒng)；以及收集來自神經(jīng)纖維的光波的探測(cè)器。
83.根據(jù)權(quán)利要求82的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括測(cè)量與組織相互作用的光波的相位變化的干涉儀。
84.根據(jù)權(quán)利要求82的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括基準(zhǔn)面以及第一和第二偏振探測(cè)器。
85.根據(jù)權(quán)利要求82的系統(tǒng)，其中所述光源包括低相干光源。
全文摘要
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案主要涉及相位測(cè)量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)通過若干策略的組合處理相位噪聲問題，上述策略包括但不限于共向光程干涉測(cè)量法、定相位基準(zhǔn)、主動(dòng)穩(wěn)定和差動(dòng)測(cè)量。實(shí)施方案涉及用光使小生物體成像的光學(xué)裝置。這些實(shí)施方案能適用于例如細(xì)胞生理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。這些優(yōu)選實(shí)施方案以相位測(cè)量和成像技術(shù)的原理為基礎(chǔ)。使用相位測(cè)量和成像技術(shù)的科學(xué)動(dòng)機(jī)起源于，舉例來說，亞微米水平的細(xì)胞生物學(xué)，它能不受限制地包括發(fā)育異常、細(xì)胞通訊、神經(jīng)元傳輸和遺傳密碼執(zhí)行的成像源。亞細(xì)胞組份的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)仍然不能在它們的自然狀態(tài)使用現(xiàn)有的方法和技術(shù)(舉例來說，包括X射線和中子散射)來進(jìn)行普遍研究。反之，有納米分辨率的以光波為基礎(chǔ)的技術(shù)允許在其自然狀態(tài)下研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括以干涉測(cè)量法和/或相位測(cè)量的原理為基礎(chǔ)的系統(tǒng)并且被用來研究細(xì)胞生理學(xué)。所述系統(tǒng)包括使用光學(xué)干涉儀測(cè)量相位的低相干性干涉測(cè)量法(LCI)原理，或其中使用細(xì)胞組分之內(nèi)的干涉的光波散射光譜學(xué)(LSS)的原理，或在替代方案中，LCI和LSS的原理能結(jié)合起來獲得本發(fā)明的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK1826518SQ200480020838
公開日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月19日
發(fā)明者克里斯托弗·M·方嚴(yán), 加布里埃爾·波普斯克, 楊昌輝, 亞當(dāng)·P·沃克斯, 拉曼查德·R·戴薩瑞, 邁克爾·S·費(fèi)爾德 申請(qǐng)人:麻省理工學(xué)院