[發(fā)明專利]用于希耳伯特相位成像的系統(tǒng)和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110374950.7
• 申請(qǐng)日: 2006-03-24
• 公開（公告）號(hào): CN102539382A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 加布里埃爾·波普斯克;拉曼查德·戴薩瑞;邁克爾·S·費(fèi)爾德;池田高宏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 麻省理工學(xué)院
• 主分類號(hào): G01N21/45
• 分類號(hào): G01N21/45;G01N15/14
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 過曉東

本申請(qǐng)是2006年3月24日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?00680009723.1，發(fā)明名稱為“用于希耳伯特相位成像的系統(tǒng)和方法”的分案申請(qǐng)。

背景技術(shù)

光學(xué)顯微技術(shù)是一種在生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)中常用的研究方法。眾多的生物學(xué)樣品(包括活細(xì)胞)在可見光的照度下是完全透明的而且本質(zhì)上表現(xiàn)為相位物體。通過將相位信息變換為明暗度的分布，相襯技術(shù)和Nomarski顯微技術(shù)為幾乎看不見的樣品提供了對(duì)比，并顯現(xiàn)出生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)。然而，通過上述技術(shù)獲得的關(guān)于照明場(chǎng)的相位移動(dòng)的信息只是用于定量分析的。來自具有高精確度和低雜波的透明物體的恢復(fù)定量分析相位信息允許測(cè)量生物學(xué)的研究中的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)。用干涉儀測(cè)量和非用干涉儀測(cè)量的技術(shù)都已經(jīng)被建議在生物樣品的定量相位成像中使用。同樣，傅立葉相位顯微技術(shù)(FPM)也已經(jīng)被研發(fā)為一種超低雜波的相位成像方法。由于時(shí)間周期的延長(zhǎng)中的次納米相位的穩(wěn)定性，F(xiàn)PM適用于從秒數(shù)到細(xì)胞的生命周期的時(shí)間量程內(nèi)的生物系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)研究。

發(fā)明內(nèi)容

細(xì)胞級(jí)中的大多數(shù)過程，包括細(xì)胞溶質(zhì)動(dòng)力學(xué)、細(xì)胞膜變異、神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)，出現(xiàn)在下至毫秒范圍的較短的時(shí)間內(nèi)。因此，允許以kHz幀頻俘獲全場(chǎng)的定量相位圖像的顯微技術(shù)能夠?qū)ι锵到y(tǒng)進(jìn)行量化。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)時(shí)間變化域中的復(fù)解析信號(hào)的形式在光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。尤其是，復(fù)解析信號(hào)中的實(shí)虛部之間的希耳伯特變換關(guān)系已經(jīng)被用于從單一的時(shí)間干涉圖中恢復(fù)相位移動(dòng)。本發(fā)明涉及用于定量的相位成像的系統(tǒng)和方法，參考希耳伯特相位顯微技術(shù)(HPM)，其允許來自單一的空間干涉圖的全場(chǎng)相位圖像的恢復(fù)。

在HPM中，單次拍攝的相位成像通過記錄設(shè)備(例如，成像傳感器)僅被限制在幀俘獲率的范圍內(nèi)。成像傳感器的實(shí)施例包括數(shù)字成像檢測(cè)器，例如，電荷耦合設(shè)備(CCD)或者COMS成像陣列。這與相位移動(dòng)技術(shù)形成對(duì)比，其中用于恢復(fù)單一的相位圖像需要眾多的錄像。此外，HPM為相位展開提供準(zhǔn)備，其使得相位物體的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光的波長(zhǎng)研究。優(yōu)選的是，成像設(shè)備具有至少200,000象素，其可以以至少10幀/秒的速度進(jìn)行收集，而且優(yōu)選的是，超過100幀/秒。

優(yōu)選的實(shí)施方案中將來自單一光源的光沿著參考路徑和樣品路徑分解。沿著樣品路徑的光被引導(dǎo)通過被測(cè)量的樣品或物體，和沿著參考路徑的光通過調(diào)制裝置進(jìn)行調(diào)制，以致當(dāng)來自樣品的光與調(diào)制參考光結(jié)合時(shí)，能被成像傳感器所檢測(cè)的干涉圖案就會(huì)產(chǎn)生。調(diào)制裝置可以是，例如，旋轉(zhuǎn)反射鏡或活動(dòng)透鏡。本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案可以包括纖維光學(xué)器件以將光連接到物體上(例如，組織)從而成像?？梢允褂眉す饣虿煌ㄩL(zhǎng)的其他的高相關(guān)光源。計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)處理器或圖像處理器可以被連接到成像設(shè)備的輸出上以處理圖像數(shù)據(jù)。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，數(shù)據(jù)處理器與軟件程序編程以處理圖像，這是利用視場(chǎng)中的選定點(diǎn)作為參考點(diǎn)來首先濾除雜波實(shí)現(xiàn)的。然后，圖像進(jìn)行希耳伯特變換以獲取處理后的圖像。對(duì)使用了濾波器之后得到的干涉圖中進(jìn)行傅立葉變換以獲取被過濾后的圖像數(shù)據(jù)。其后是適用逆傅立葉變換以獲取交迭的和展開的相位圖像。這提供了關(guān)注物體的定量相位圖像。

本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案可以包括根據(jù)本發(fā)明的希耳伯特相位成像的配置，其中光學(xué)幾何條件被設(shè)置為透射或反射的成像。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，倒置的顯微幾何條件可以與用于結(jié)合參照物圖像和樣品圖像的光束分解器一并使用。反射測(cè)量可以通過貼上反射材料來進(jìn)行，例如，將聚苯乙烯珠粒附著到細(xì)胞膜上。然后，相干光可以被反射出所述材料以獲取干涉圖。這可以用于測(cè)量隔膜的機(jī)械性能，例如，剪切模量或彎曲系數(shù)。本文所描述的過程可以在，例如，人體外部或哺乳動(dòng)物的組織或體液或者人眼外部的其他組織中使用。

本發(fā)明為非生物應(yīng)用以及生物應(yīng)用而提供；例如，本發(fā)明可以為對(duì)于光纖維和/或其他的透明或半透明的物體或材料(包括晶體結(jié)構(gòu))的相位輪廓的研究提供準(zhǔn)備。

附圖說明

附圖1舉例說明根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案。

附圖2a-2h舉例說明獲取的圖像，包括a)透射亮度圖像；b)干涉圖；c)正弦曲線信號(hào)；和d)從a)中顯示的矩形區(qū)域中測(cè)量得到的交迭相位；e)全場(chǎng)的展開相位；f)全場(chǎng)的定量相位圖像；g)通過f中的相位圖像和指示模擬配合的連續(xù)線條的橫向輪廓；h)全血涂片(放大倍率為40)的HPM圖像；顯示出5um的度量桿；灰色的度量桿顯示a-c的亮度級(jí)別，和d-h的相位弧度。