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