CN101243298A - 通过浸没干涉仪显微镜的断层成像 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于待成像物体的断层成像装置，该装置包括：具有与待成像物体层的厚度基本相同的相干长度的光源；干涉测量成像系统，该系统至少包括物镜，参照镜以及光束分离装置，其特征在于，所述干涉测量系统被设置成使得所述物镜确定在待分析的物体层处的第一聚焦平面以及在所述参照镜处的第二聚焦平面，所述干涉测量成像系统包括至少一个定位于该第二聚焦平面和分离装置之间的第一补偿介质，选择所述补偿介质的厚度和光学指数，使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的来自所述光源的光束的光程与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程基本相同，并且使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的色散与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的色散基本相同。

Description

通过浸没干涉仪显微镜的断层成像

技术领域

本发明涉及干涉测量领域。

更具体而言，本发明涉及一种通过干涉测量法成像的装置，尤其是适合于形成断层成像。

背景技术

现有技术已存在通过干涉测量法进行断层成像的装置，该装置包括干涉测量装置(例如Mirau、Michelson、Linnik类型)，在这些装置内，光源具有微小的相干长度(longueur de cohérence)，该长度能在大约相干长度的空间的薄层内确定干涉条纹的位置。现有技术中的这些装置由例如图1A、1B和1C示出。

然而，在这些装置内，由于两个臂的其中一个臂穿入待成像的物体内，而另一个臂不穿入待成像的物体内，所以在干涉仪的两臂之间可看到色散。

在另一方面可以看到在待成像的物体处在干涉仪上内物镜的聚焦平面与对应于零光程差(différence de marche nulle)的平面之间的偏移。

此外，如果使用公知的浸没物镜(如图2所示)，光在浸没介质中通过引起前述现象的加重。

例如在美国申请US-A-2005/008663中曾公开了浸没物镜的使用。该文献公开了一种信号的分析方法，该信号由白光干涉测量显微镜提供，以便研究物体表面下的结构。在该文献中公开的干涉测量显微镜的实施例中，显微镜的物镜可为浸没显微镜。

然而，该文献没有公开在待成像物体处，怎样防止干涉仪中物镜的聚焦平面(plan de mise au point)和对应于零光程差的平面之间的偏移。相反地，值得注意的是，在干涉仪的两臂之间的色散偏差效应(effets d’écarts de dispersion chromatique)被考虑到由干涉测量显微镜提供的信号的分析中，这说明了这些效应没有被补偿。

申请EP-A-0503236公开了一种用于在半导体板(plaque)的内部结构的近红外线内实现高清晰度成像的仪器。该仪器包括一个被定位于板附近的光学装置。该光学装置可包括凸面透镜。光切割流体可将该凸面透镜与板分开，以便能使板在透镜下移动。申请EP-A-0503236的实施例教导凸面透镜可在Linnik干涉仪中使用。

然而，由申请EP-A-0503236公开的流体不能补偿干涉仪两臂之间的差别，尤其是色散和/或光程差。

发明内容

因此，本发明的其中一个目的是在断层成像的情况下，减少干涉仪两臂之间的色散，并在待成像的物体处使聚焦平面和对应于零光程差的平面更好地相符合。

本发明的另一个目的同样是使光线更好地在待成像的物体中穿入。

本发明通过提供一种用于待成像物体的断层成像的装置来达到这些目的，该装置包括：具有与待成像物体层(tranche)的厚度基本相同的相干长度的光源；以及干涉测量成像系统，该系统至少包括物镜，参照镜(1)以及光束分离装置(2)，其特征在于，所述干涉测量系统被设置成使得所述物镜能限定在待分析的物体层处的第一聚焦平面以及在所述参照镜处的第二聚焦平面，所述干涉测量成像系统包括至少一个定位于所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的第一补偿介质(3a，3b)，选择所述补偿介质的厚度和光学指数而使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的来自所述光源的光束的光程(trajet)与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程基本相同，并使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的色散与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的色散基本相同。

优选地，所述干涉测量成像系统还包括至少一个第三介质，选择该第三介质的光学指数和厚度，使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的来自所述光源的光束的光程与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程基本相同，并且使得在第一聚焦平面和所述分离装置之间的色散与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的色散基本相同。

为了保持色散的相同和光路(chemin)的相同而无论在待分析的物体处的聚焦平面是什么，干涉测量成像系统还包括至少一个被定位于所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的第二介质，所述第二介质具有与所述待分析的物体基本相同的光学性质。

在这种情况下，根据简单的(实施)方式，所述第一介质具有与所述待分析的物体基本相同的光学性质。

当待成像的物体基本上由水组成时，该装置尤其适用。

本发明还涉及一种用于物体层的断层成像的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪包括在物镜上的固定装置，参照镜，光束分离装置，所述干涉仪被设置成使得所述物镜确定在待分析的物体层处的第一聚焦平面，以及在所述参照镜的表面上的第二聚焦平面；所述干涉仪包括至少一个第一补偿介质(3a，3b)，所述第一补偿介质定位于所述第二聚焦平面和所述分离装置之间，选择所述至少一个补偿介质的厚度和光学指数，使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程基本相同，并且使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的色散与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的色散基本相同。

为了保持色散的相同和光路的相同而无论在待分析的物体处的聚焦平面是什么情况，所述干涉仪还包括至少一个定位于所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的第二介质，所述(至少一个)第二介质的光学性质与所述待分析物体的光学性质基本相同。

有利地，所述固定装置能允许在物镜上(例如在标准浸没物镜上)调节干涉仪。

优选地，所述干涉测量成像系统还包括至少一个第三介质，选择所述第三介质的光学指数和厚度，使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的来自所述光源的光束的光程与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程基本相同，并且使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的色散与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的色散基本相同。

附图说明

参照附图，借助于如下对本发明的实施例的解释性的描述，会对本发明有更好的理解：

-图1A，1B和1C示出了根据现有技术的干涉测量装置；

-图2示出了根据现有技术公知的浸没物镜；

-图3示出了本发明的实施例；

-图4示出了本发明的实施例，在该实施例中，干涉测量装置定位于浸没物镜上；

-图5示出了在干涉仪的参照臂处和目标臂(bras objet)处根据本发明的补偿介质的示意图。

-图6A和6B示出了当聚焦平面在待分析物体处被改变时，在干涉仪参照臂处和目标臂处根据本发明的补偿介质的示意图。

具体实施方式

本发明包括干涉仪显微镜(microscope interférométrique)。如图3所示，示出了Mirau型物镜，但是当然本发明也同样适用于公知的任何干涉物镜类型，例如Linnik或Michelson类型。

源5产生光束6带来光信号。对于断层成像公知的，光源5具有宽的光谱以及因此具有微小的相干长度以便观察大约相干长度的光程差的干涉。这样允许观察物体(objet，目标)4的薄层以及因此获得良好的轴向分辨率。光源的相干长度通常是一微米或几微米，光源是例如灯丝灯，氙或汞类型的弧(光灯)，或电致发光二极管。

根据本发明的干涉测量系统的参照镜1优选地具有可与物体总体反射率相比较的反射系数，以便能使来自镜子的信号和来自物体的信号的振幅差别最小化。以这种方式优化了信号与所观察干涉的噪音的比例。特别地，为了观察主要由水组成的活细胞，我们选择反射系数为百分之一或百分之几的镜子。

在根据本发明的干涉仪中，一方面确定参照臂，该参照臂由在参照镜1和分离器2平面之间的区域构成，另一方面确定目标臂，该目标臂由分离器2和在物体4中的聚焦平面之间的区域构成，如图5所示。

同样确定Z_obj即在目标臂中的物镜聚焦平面的位置。该平面位于待观察的物体中。Z_réf是在参照臂中的物镜聚焦平面的位置。该平面位于参照镜的表面上。

因此将(一个或多个)补偿介质设置成使得在两个臂内的光路相同且这两个臂具有几乎相同的色散。

Z_sép定义为分离器2的位置，因此，从Z_réf至Z_sép的光程(trajet)必须与从Z_sép至Z_obj的光程基本相同。

(Z_réf)j和(n_réf)_j分别为(若干)补偿介质在参照臂中的厚度和光学指数，以及(Z_réf)_i和(n_réf)_i分别为(若干)补偿介质在目标臂中的厚度和光学指数，光路相同的条件如下表示：

等式1：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(n_{\mathrm{obj}}\right)}_i\×{\left(Z_{\mathrm{obj}}\right)}_i=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\left(n_{\mathrm{ref}}\right)}_j\×{\left(Z_{\mathrm{ref}}\right)}_j$

在两个臂中色散相同的条件近似地描述如下：

等式2：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{d{\left(n_{\mathrm{obj}}\right)}_i}{\mathrm{d\λ}}\×{\left(Z_{\mathrm{obj}}\right)}_i=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{d{\left(n_{\mathrm{ref}}\right)}_j}{\mathrm{d\λ}}\×{\left(Z_{\mathrm{ref}}\right)}_j$

在高斯条件下，在物体中以及在参照镜上形成图像的条件描述如下：

等式3：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\left(Z_{\mathrm{obj}}\right)}_i}{{\left(n_{\mathrm{obj}}\right)}_i}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\left(Z_{\mathrm{ref}}\right)}_j}{{\left(n_{\mathrm{ref}}\right)}_j}$

其他更复杂的等式也可以用于解释光路、色散以及聚焦的等同条件。这些等式是光传播领域的技术人员所公知的。这些更精确的等式可用于获得更好的分辨率，而且应该理解，所提供的等式(1)，(2)，和(3)在这里是示例性而非限制性的。

如图5所示，为了补偿由光束在目标臂处在物体中的部分4a中经过所带来的色散和光程的差别，而对介质3a、3b、3c、3d的光学指数和厚度进行选择。因此，选择这些介质以便符合等式1、2和3。至少其中一个补偿介质被定位于参照臂中，以便补偿物体4a的经过。

此外，如图6A和6B所示，当期望通过将位置Z_obj转换至位置Z’_obj而改变待分析的层时，在目标臂中的厚度条件被改变。因此，有利地，在该位移之后，保持两个臂内的色散的相同和光路的相同。

根据没有示出的第一个实施方式，可以使用至少一个补偿介质，当物镜位移以及聚焦位置改变时该补偿介质可以改变厚度，以便保持在两个臂中的色散的相同和光路的相同。在这种情况下，不是必须将介质放置成与带分析的物体接触，且所选择的介质可具有与待分析的物体的光学特征不同的光学特征。

根据在图6A和图6B示出的更简单的第二个实施方式，在目标臂中且与物体相接触地放置第一介质3a，该第一介质具有与待分析的物体基本相同的光学特征。例如，如果物体是生物体，优选选择水或光学性质接近于水的其他液体(例如PBS(磷酸盐缓冲盐水))。将这个与物体和定位在目标臂内的介质3c相对应的介质称为M。这样，当在新的层(从图6A换至图6B)上聚焦时，在分离器2和聚焦平面之间的光程和色散几乎没有改变。

因此，无论是哪一个待分析物体层，都可以通过定位于参照臂内的具有固定厚度的介质3a来补偿在厚度B上的穿过(traversée)。

在参照臂内的介质3a可以(例如以简化的方式)等同于介质M或其他具有固定厚度的、能遵守在目标臂和参照臂之间色散相同和光路相同的补偿介质。其他的补偿介质也可以被加入干涉仪的两个臂中。

根据本发明的一个特别适用于活细胞的断层成像的实施例，将两个臂浸没在水中或具有接近于水的光学特征的液体中(如图4所示)。

实际上，这些细胞主要由水构成，两个臂被浸入水中，满足等式1、2和3。因此，活细胞成像可以以令人满意的方式形成。

根据本发明的另一个替换方式和待分析的物体，补偿介质也可以为凝胶或任何满足等式1、2和3条件的材料。

但是当然，也可以使用具有接近于水的光学特征的其他液体来代替水，例如PBS(磷酸盐缓冲盐水)。

当然，通过可选地加入其他限制条件(例如光色差(aberrationsoptiques)的减少量)，可由所适合的程序来解等式1、2和3。

也可由精确计算光线传播、光程、色散和色差的软件来解其他与色散、光路和聚焦的限制相关的等式，并且由此能够优化。

根据本发明，可选地使用特殊物镜，这些物镜特别用于将放置于干涉仪臂中的介质带来的色差最小化。在干涉仪的两个臂中放置水(或具有接近于水的光学特征的介质)的情况下，使用现有技术中公知的浸没于水中的浸没物镜就行了。

本领域的技术人员能够容易地确定待使用的材料的厚度和(光学)指数(indice)以及参照镜的位置，以便满足这些条件。不同的介质的数量也是可变的并由本领域的技术人员来选择。

这些补偿介质可为液体、凝胶、或特殊的玻璃。

干涉图像由矩阵检测器(没有示出)(例如摄像机CCD或CMOS)记录，通过干涉仪的元件(例如参照镜1或干涉仪组件)的位移，来记录相位偏移的多个干涉图像。在后一种情况下，根据可变的高度，在显微镜的物镜上固定或例如旋紧根据本发明的干涉仪。

该实施例是尤其有利的，因为标准的浸没物镜普通存在。这样的物镜如图2所示。用于这些物镜的浸没介质具有例如在物体表面防止反射的功能并且能提高物镜清晰度。

因此，在这样的物镜上固定干涉仪，该干涉仪包括参照镜、分离器以及一个或多个补偿介质，以便检查等式(1)、(2)和(3)的条件(如上所描述的)。因此，补偿介质被定位在干涉仪的参照臂内。

如果物镜是浸没于水中的浸没物镜，且待分析的物体主要由水构成，则干涉仪的补偿介质优选为水或具有接近于水的光学特征的介质。

这样，光在分离器和参照镜之间以及在分离器和待观察物体层之间经过的在介质中的行程几乎相同。

因此，相位偏移的干涉测量图像组合能用于计算干涉测量信号，这样产生断层图像。

优选地，在获得一叠断层图像之后，可以以三维的方式再次构造所观察的物体。

本领域的技术人员会容易地理解，已在使用Mirau类型的干涉仪情况下描述并解释说明了本发明，但是所有类型的干涉仪都可被使用。具体地，在使用Michelson干涉仪的情况下，干涉仪的臂形成90°的角度，而不是在使用Mirau的情况下沿着轴线。

本发明尤其适用于光相干断层成像(英语“Optical CohérenceTomography”或“OCT”)。

Claims (15)

1.一种用于待成像物体的断层成像的装置，包括：具有与待成像物体层的厚度基本相同的相干长度的光源，以及干涉测量成像系统，所述系统至少包括物镜、参照镜(1)以及光束分离装置(2)，其特征在于，所述干涉测量系统被设置成使得所述物镜确定在待分析的物体层处的第一聚焦平面以及在所述参照镜处的第二聚焦平面，所述干涉测量成像系统包括至少一个定位于所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的第一补偿介质(3a，3b)，选择所述补偿介质的厚度和光学指数，使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的来自所述光源的光束的光程与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的所述光束的光程基本相同，并且使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的色散与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的色散基本相同。

2.根据权利要求1所述的用于断层成像的装置，其中，所述干涉测量成像系统还包括定位于所述第一聚焦平面和所述分离装置之间并与所述物体相接触的第二介质，所述至少一个第二介质具有与所述待分析的物体基本相同的光学性质。

3.根据权利要求2所述的用于断层成像的装置，其中，所述干涉测量成像系统还包括至少一个第三介质，选择所述第三介质的光学指数和厚度，使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的来自所述光源的光束的光程与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程基本相同，并且使得在第一聚焦平面和所述分离装置之间的色散与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的色散基本相同。

4.根据权利要求2所述的用于断层成像的装置，其中，所述第一介质具有与所述待分析的物体基本相同的光学性质。

5.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中，所述待成像的物体基本上由水组成。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括定位于所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的至少一个第二介质，所述第一介质和第二介质中的至少一个具有可变的厚度。

7.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中，所述干涉测量成像系统是Mirau干涉仪。

8.一种用于物体层的断层成像的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪包括在物镜上的固定装置、参照镜、光束分离装置，所述干涉仪被设置成使得所述物镜确定在待分析的物体层处的第一聚焦平面，以及在所述参照镜的表面上的第二聚焦平面；所述干涉仪包括至少一个第一补偿介质(3a，3b)，所述补偿介质(3a，3b)被定位于所述第二聚焦平面和所述分离装置之间，选择所述补偿介质的厚度和光学指数，使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程基本相同，并且使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的色散与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的色散基本相同。

9.根据权利要求8所述的干涉仪，其中，还包括定位于所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的并与所述物体相接触的第二介质，所述第二介质的光学性质与所述待分析的物体的光学性质基本相同。

10.根据权利要求9所述的干涉仪，其中，所述干涉测量成像系统还包括至少一个第三介质，选择所述第三介质的光学指数和厚度，使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的来自所述光源的光束的光程与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的光程基本相同，并且使得在所述第一聚焦平面和所述分离装置之间的色散与在所述第二聚焦平面和所述分离装置之间的光束的色散基本相同。

11.根据权利要求8所述的干涉仪，还包括至少一个第二介质，所述第二介质定位于所述第一聚焦平面和所述分离装置之间，所述第一介质和所述第二介质中的至少一个具有可变的厚度。

12.根据权利要求8所述的干涉仪，其特征在于，所述固定装置能调节所述干涉仪相对于所述物镜的位置。

13.根据权利要求8所述的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪固定于浸没物镜上。

14.根据权利要求8所述的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪被固定于物镜上，所述物镜包括色差校正装置，所述色差由所述干涉仪的不同元件以及由在所述物体中的穿入带来的。

15.根据权利要求8至14中的任一项所述的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪是Mirau干涉仪。

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