CN102292662A - 用于计算深度切片的定量微分干涉差（dic）设备 - Google Patents

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杨昌辉
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Abstract

本发明的实施方式涉及使用具有波阵面传感器的定量微分干涉差设备来计算物体的深度切片的方法，所述波阵面传感器具有一个或多个结构光圈、光探测器以及位于结构光圈和光探测器之间的透明层。所述方法包括由光探测器通过一个或多个结构光圈接收光。所述方法还基于光来测量图像波阵面的振幅并测量在图像波阵面的两个正交方向上的相位梯度。所述方法可然后使用振幅和相位梯度来重构图像波阵面。所述方法可然后将重构的波阵面传播到在第一深度处与物体相交的第一平面。在一个实施方式中，所述方法将重构的波阵面传播到另外的平面并基于所传播的波阵面生成三维图像。

Description

用于计算深度切片的定量微分干涉差(DIC)设备
相关申请的交叉引用
这是一件非临时申请，其要求于2009年1月21日提交的题为“Quantitative differential interference contrast(DIC)microscopy and itscomputed depth sectioning ability”的第61/205487号美国临时专利申请的申请日的利益。为了所有目的，该临时申请特此通过引用被全部并入。
该非临时申请与下面共同未决和共同转让的专利申请相关，为了所有目的，所述专利申请特此通过引用被全部并入：
于2005年5月9日提交的题为“Optofluidic Microscope Device”的第11/125,718号美国专利申请。
于2007年3月14日提交的题为“Optofluidic Microscope Device”的第11/686,095号美国专利申请。
于2007年5月2日提交的题为“On-chip Microscope/Beam Profiler basedon Differential Interference Contrast and/or Surface Plasmon AssistedInterference”的第11/743,581号美国专利申请。
于2009年3月4日提交的题为“Methods of Using OptofluidicMicroscope Devices”的第12/398,098号美国专利申请。
于2009年3月4日提交的题为“Optofluidic Microscope Device withPhotosensor Array”的第12/398,050号美国专利申请。
于2009年12月15日提交的题为“Techniques for Improving OptofluidicMicroscope Devices”的第12/638,518号美国专利申请。
于2009年5月4日提交的题为“Quantitative Differential InterferenceContrast(DIC)Microscopy and Photography based on Wavefront Sensors”的第12/435,165号美国专利申请。
本发明的背景
本发明的实施方式大体上涉及具有波阵面传感器的定量微分干涉差(DIC)设备。更具体地，某些实施方式涉及具有用在诸如显微术或摄影术的应用中的波阵面传感器并适于计算标本和其他物体的深度切片的定量DIC设备。
DIC显微镜为光学透明的生物样本提供了良好的反差而不需要将外源的反差试剂引入到样本中。由于无创性质，DIC显微镜广泛用在生物实验室中。
传统的DIC显微镜和其他传统的DIC设备通常通过首先建立利用偏振选择的两个相同的照明光场来操作。图1是传统的DIC设备10的示意图，设备10通过使偏振光的稍微偏移的两个完全相同的图像光场发生干涉来操作。传统的DIC设备10包括将偏振光提供到物体30的照明光源20。如所示，光场穿过物体30透射且沿着x方向相对于彼此横向偏移。然后将净相位滞后(通常为π/2)引入到所透射的图像光场中的一个上。这两个光场被允许在图像平面40彼此发生干涉。更简单地，该过程等效于复制所透射的图像光场，使一拷贝稍微横向偏移并检测这两个光场在图像平面40的干涉。
数学上，这暗示从传统的DIC设备10观察的具有放大因子M的DIC强度图像42由式(1)给出：
IDIC(x，y)＝|ψDIC(x，y)|2
          ＝B(x，y)+C(x，y)*sin(arg(ψ(x-Δ/2，y))-arg(ψ(x+Δ/2，y)))
          ≈B(x，y)+C(x，y)*(arg(ψ(x-Δ/2，y))-arg(ψ(x+Δ/2，y)))      (1)
其中B(x，y)＝|(ψ(x-Δ/2，y))|2+|(ψ(x+Δ/2，y))|2，
C(x，y)＝2|(ψ(x-Δ/2，y))||(ψ(x+Δ/2，y))|，，且ψ(x，y)是由显微镜为每个光场转送的图像波阵面，φDIC(x，y)是DIC图像波阵面。且Δ＝Ma是与光场相关的穿过图像的相对位移。式(1)中的最后一个表达式只有在相差较小的情况下才成立。
然而，传统的DIC设备具有几个局限性。一个主要的局限性是传统的DIC设备将相位变化变换为振幅(强度)变化。如式(1)所示，DIC强度图像，IDic(x，y)是微分相位的正弦函数，因此相位信息不能直接从DIC图像的强度来解释。而且，B(x，y)和C(x，y)项都含有振幅信息，因此DIC图像含有纠结一起的振幅和相位信息。因此，相位变化不能容易地从由物体的吸收和/或散射产生的振幅(强度)变化中解开纠结。换句话说，传统的DIC设备不能区分开吸收效果和相位变化。由于振幅和相位信息的这个纠结及非线性相位梯度响应，传统的DIC设备是固有地定性的，且不提供定量的相位测量。
传统的DIC设备的另一个局限性在于它们使用偏振光且依赖于其相位成像策略中的偏振。由于必须使用偏振光，传统的DIC设备产生通常遭受明显的伪像的影响的双折射物体(例如，马铃薯淀粉存储颗粒)的图像。
本发明的简要概述
本发明的实施方式涉及使用定量DIC设备来计算物体的深度切片的方法。引入到定量DIC设备中的物体改变了光场且引起具有振幅和相位梯度的图像波阵面。在波阵面传感器的背部的光探测器测量通过波阵面传感器中的结构光圈(structured aperture)的光的分布。波阵面传感器使用该光分布来分开测量在两个正交方向上的波阵面的振幅和相位梯度。定量DIC设备从振幅和相位梯度用数字重构图像波阵面，并将所重构的波阵面计算地传播到在通过物体的厚度的不同深度处的平面。
一个实施方式目的在于使用具有波阵面传感器的定量微分干涉差设备来计算物体的深度切片的方法，所述波阵面传感器具有一个或多个结构光圈、光探测器以及和在所述一个或多个光圈和所述光探测器之间的透明层。所述方法包括由光探测器通过一个或多个结构光圈接收光。该方法还包括基于所接收的光来测量图像波阵面的振幅及基于所接收的光来测量在图像波阵面的两个正交方向上的相位梯度。然后，处理器使用所测量的振幅和相位梯度重构图像波阵面并将所重构的波阵面传播到在第一深度处与的物体相交的第一平面。
另一个实施方式目的在于波阵面传感器，其包括具有一个或多个结构光圈的光圈层、光探测器和在所述光圈层和光探测器之间的透明层。光探测器基于通过结构光圈接收的光来测量波阵面的振幅及在两个正交方向上的相位梯度。
另一个实施方式目的在于定量DIC设备，其包括波阵面传感器及通信地耦合到波阵面传感器的处理器。该波阵面传感器包括具有一个或多个结构光圈的光圈层、光探测器和在所述光圈层和光探测器之间的透明层。光探测器基于通过所述结构光圈接收的光来测量波阵面的振幅和在两个正交方向上的相位梯度。处理器使用所测量的振幅和相位梯度来重构波阵面。
本发明的这些和其他实施方式将在下面被详细描述。
附图的简要描述
图1是传统的DIC设备的示意图。
图2是根据本发明的一个实施方式的定量DIC设备的示意图。
图3是根据本发明的一个实施方式的在第一配置中的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。
图4是根据本发明的一个实施方式的在第二配置中的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。
图5是根据本发明的一个实施方式的在第三配置中的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。
图6(a)是根据本发明的一个实施方式的具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。
图6(b)是根据本发明的一个实施方式的具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。
图6(c)是根据本发明的一个实施方式的具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。
图7(a)(1)是根据本发明的一个实施方式的以“+”符号配置的形式的二维结构光圈的透视图的示意图。
图7(a)(2)是根据本发明的一个实施方式的以“+”符号配置的形式的二维结构光圈的透视图的示意图.
图7(b)、(c)和(d)是根据本发明的实施方式的由二维结构光圈的扫描电子显微镜获取的图像。
图8是根据本发明的实施方式的具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。
图9是根据本发明的实施方式的具有Shack-Hartmann波阵面传感器的定量DIC设备的部件的侧视图的示意图。
图10(a)是包括以单个透光区的一维阵列的形式的透光区的强度OFM设备的部件的俯视图的示意图。
图10(b)是根据本发明的一个实施方式的具有OFM波阵面传感器的定量DIC设备的部件的俯视图的示意图。
图11示出了根据本发明的实施方式的说明该传播方法的示意图。
图12是根据本发明的实施方式的使用处理器的传播方法的示意图。
图13(a)和12(b)是由传统的显微镜获取的聚焦方法的示意图。
图14是根据本发明的实施方式的使用具有波阵面传感器的定量DIC设备的计算深度切片方法的流程图。
图15(a)是根据本发明的实施方式的波阵面传感器的部件的侧视图。
图15(b)是根据本发明的实施方式的图15(a)中的波阵面传感器的部件的俯视图。
图15(c)是根据本发明的实施方式的穿过结构光圈的中心的图15(a)中的波阵面传感器的部件的截面图。
图16(a)是根据本发明的实施方式的使用具有SAI波阵面传感器的定量DIC显微镜获取的海星胚胎的强度/振幅图像。
图16(b)是根据本发明的实施方式的基于使用具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备获取的海星胚胎的在x方向上的相位梯度的图像。
图16(c)是根据本发明的实施方式的基于使用具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备获取的海星胚胎的在y方向上的相位梯度的图像。
图16(d)、16(e)和16(f)示出了根据本发明的实施方式的当应用于图16(a)、16(b)和16(c)的原始振幅、微分相位x和微分相位y数据的一些展开算法。
图17(a)是通过传统的透射显微镜获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的图像。
图17(b)是通过传统的DIC显微镜获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的图像。
图17(c)是根据本发明的实施方式的由显微镜系统中的定量DIC设备获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的强度图像。
图17(d)是根据本发明的实施方式的由显微镜系统中的定量DIC设备获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的无伪像的x方向相位图像。
图17(e)是根据本发明的实施方式的由显微镜系统中的定量DIC设备获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的无伪像的y方向相位图像。
图18示出了根据本发明的实施方式的可存在于用在定量DIC设备中的计算机设备中的子系统的框图。
本发明的详细描述
下面将参考附图描述本发明的实施方式。一些实施方式包括可用在诸如显微术、摄影术或其他成像应用等应用中的具有波阵面传感器的简单和定量DIC设备。
本发明的实施方式的波阵面传感器可为任何适当的形式。例如，波阵面传感器可为单像素(元件)波阵面传感器的形式。在另一个实例中，波阵面传感器可为具有定位成沿一个方向的传感器元件(像素)的一维波阵面传感器阵列的形式。在另一个实例中，波阵面传感器可为包括定位成沿两个正交方向的传感器元件的二维波阵面传感器阵列的形式。
通常，本发明的实施方式的定量DIC设备提供了优势，因为它们可以分开测量在两个正交方向上的图像波阵面的振幅和相位梯度。利用该信息，定量DIC设备具有足够的数据以用数字重构图像波阵面并将其传播到其他平面。
本发明的实施方式的定量DIC设备也提供了优势，因为它们不需要偏振光作为他们成像技术的一部分。由于这些定量DIC设备不依赖于光(照明)的偏振，这些设备可以使用非偏振光来产生用于双折射和同质物体的无伪像的DIC图像。而且，也可使用普通的光源，例如用在传统的显微镜中的光源。本发明的实施方式的定量DIC设备的另一个优势是它们将DIC功能集成到简单的波阵面传感器上。该集成优于使用庞大的光学元件来提供DIC功能的传统的DIC设备。由于该原因，本发明的实施方式比传统的DIC设备更加紧凑、更便宜且在使用和设计上更简单。
如图2所示，本发明的实施方式的定量DIC设备通过选择性组合和干涉在两个相邻的点处的非偏振光的光场来操作。图2是根据本发明的一个实施方式的定量DIC设备100的示意图。定量DIC设备100包括将非偏振光提供到物体30的照明光源20。在该所示的实施方式中，定量DIC设备100采用选择性组合和干涉具有间隔a的图像的两个相邻点处的非偏振光的光场的相位比较。定量DIC设备100使用相位比较来在图像平面40生成物体30的图像42。采用该相位比较的定量DIC设备可分开测量由物体30散射或穿过物体30透射的光的振幅和相位梯度。
1.定量DIC设备配置
下面描述定量DIC设备的三种配置。第一种配置包括具有单像素波阵面传感器的定量DIC设备。在该配置中，可采用光栅扫描来测量有关图像波阵面的二维数据。该二维配置可包括二维波阵面传感器阵列，其可同时测量关于图像波阵面的二维数据而不需要光栅扫描。第一和第二配置使用波阵面转送系统来将来自物体的图像波阵面投射到波阵面传感器。第三配置去除了前两种配置的波阵面转送系统。
在一些实施方式中，这些配置的定量DIC设备不依赖于光的偏振，作为它们的成像方法的一部分。如果使用非偏振光，这些定量DIC设备即使对于双折射物体也可产生无伪像的DIC图像。
A.第一配置
图3是根据本发明的一个实施方式的第一配置中的定量DIC设备100的部件的侧视图的示意图。在该配置中，定量DIC设备100包括单像素波阵面传感器110。照明光源20将光提供到由定量DIC设备100成像的物体30。物体30调制或以其他方式改变光并导致图像波阵面120。定量DIC设备也包括与单像素波阵面传感器110进行通信的波阵面转送系统130(例如，一个或多个透镜)。波阵面转送系统130将由物体30生成的图像波阵面120投射或以其他方式转送到单像素波阵面传感器110上。单像素波阵面传感器110测量由物体30的点导致的所投射的图像波阵面120的局部强度和/或斜率，所投射的图像波阵面120与单像素波阵面传感器110共轭。
定量DIC设备100还包括光栅扫描设备140，其用于扫描物体30或扫描单像素波阵面传感器110以生成由物体30导致的图像波阵面120的局部强度和/或斜率的二维图。定量DIC设备100还包括具有与计算机可读介质(CRM)154进行通信的处理器152的主计算机150。主计算机150与单像素波阵面传感器110进行通信以接收波阵面数据。定量DIC设备100的一个或多个部件可位于主体内，所述主体可为多层结构或单个单片结构。
定量DIC设备100基于所测量的强度分布来测量二维振幅并测量在图像波阵面120的两个正交方向上的相位梯度。干涉的总透射率与光圈平面处的平均图像强度成比例。零阶干涉光斑的偏差(Δs和Δt)分别通过隔板(透明层)厚度(H)和折射率(n)与光圈处的波长归一化相位梯度(θx和θy)相关，如：
Figure BDA0000077439760000081
Figure BDA0000077439760000082
使用展开方法，利用所测量的二维振幅和相位梯度信息，定量DIC设备100可用数字重构与物体30相关的二维图像波阵面120。定量DIC设备可然后将图像波阵面120计算地传播到穿过物体30的厚度的在不同的深度处的一个或多个z平面。定量DIC设备100可生成强度图像、在x方向上的相位梯度图像、和在物体30的y方向上的相位梯度图像、重构的图像、和在穿过物体30的厚度的不同深度处的所传播的二维图像。在一些情况下，二维图像是物体30的横截面图像。定量DIC设备100也可组合二维波阵面数据以产生物体30的三维数据和图像。在以下章节中将详细描述计算深度切片方法。
照明光源20可以指任何适合的设备或光例如环境光的其他源。由照明光源20提供的光可具有任何适合的波长和强度。而且，该光可包括偏振光和/或非偏振光。在使用非偏振光的实施方式中，定量DIC设备100可产生双折射标本或样本中的其他物体30的无伪像的DIC图像。适合的照明光源20可天然地和在商业上得到。在一些实施方式中，照明光源20可为定量DIC设备100的一个部件。在其他实施方式中，照明光源可与定量DIC设备100分离。
照明光源20可放置在任何适合的位置并位于任何适合的方向上以将适当的光提供到物体30。在一些实施方式中，多个照明光源20提供在一个或多个方向上的光。例如，包括定量DIC设备的摄像系统可具有提供在从波阵面传感器到物体30的方向上的例如来自闪光灯的光的第一照明光源20和提供在另一方向上的光的第二照明光源20。在其他实施方式中，单个照明光源提供在单一方向上的光。例如，包括定量DIC设备100的显微镜系统可具有被定位成提供在负z方向上的光的单个照明光源20。
波阵面转送系统130可以指被配置为将由物体30导致的图像波阵面120转送(例如，投射)到波阵面传感器上的设备或设备的组合，所述波阵面传感器例如是图3中的单像素波阵面传感器110或图4和5示出的波阵面传感器阵列210。在一个实例中，波阵面转送系统130包括一个或多个透镜。可以用任何适当的方式来转送光。在图3中，波阵面转送系统130将来自物体30的图像波阵面120投射到单像素波阵面传感器110上。
光栅扫描设备140可以指用于光栅扫描物体30或光栅扫描波阵面传感器的任何适当的设备。光栅扫描设备140在一些实施方式中，可为定量DIC设备100的一个部件，而在其他实施方式中可为分离的设备。
在示出的实施方式中，主计算机150是定量DIC设备100的一个部件。在其他实施方式中，主计算机150可为分离的设备。尽管处理器152和CRM154被示为定量DIC设备100的部件，但在其他实施方式中，处理器152和/或CRM 154可为波阵面传感器的部件。
处理器(例如，微处理器)可以指用于处理定量DIC设备100的功能的任何适当的设备。在示出的实施方式中，处理器150接收由单像素波阵面传感器110测量的具有与图像波阵面120的强度分布和/或斜率数据有关的波阵面数据的信号。波阵面数据可包括通过采用光栅扫描设备140由单像素波阵面传感器110测量的图像波阵面120的强度分布和/或斜率的二维图、与图像波阵面120相关的振幅和相位梯度数据、光的波长、和/或关于由单像素波阵面传感器110接收的光的其他信息。处理器150执行存储在CRM 154上的代码以执行定量DIC设备100的一些功能。这些功能包括解释由单像素波阵面传感器110测量的光分布和/或斜率数据，测量穿过结构光圈的投影中心，使投影与结构光圈分离，确定投影或焦点的偏差，使用光分布数据确定在两个正交方向上的图像波阵面120的振幅和相位梯度，使用在两个正交方向上的振幅和相位梯度数据来重构图像波阵面，将重构的波阵面从探测器z平面传播到一个或多个z平面，基于强度、在x方向上的相位梯度、在y方向上的相位梯度、重构的波阵面、和/或传播的波阵面来生成一个或多个二维图像，组合二维图像数据以生成物体30的三维数据和图像，显示物体30的一个或多个图像，及与所计算的深度切片和图像处理相关的其他功能。
CRM 154可以指存储数据的存储器且可为包括存储器芯片等的任何适合的形式。CRM 154存储用于执行定量DIC设备100的一些功能的代码。该代码可由处理器152执行。在一个实施方式中，CRM 154包括a)用于解释从单像素波阵面传感器110接收的光分布数据的代码，b)用于从光分布数据生成局部斜率数据的代码，c)用于确定图像波阵面120的振幅及使用光分布数据确定在两个正交方向上的图像波阵面120的相位梯度的代码，d)用于使用在两个正交方向上的振幅数据和相位梯度数据来重构图像波阵面的代码，e)用于将重构的波阵面从探测器z平面传播到一个或多个z平面的代码，f)用于基于强度、在x方向上的相位梯度、在y方向上的相位梯度、重构的波阵面、和/或传播的波阵面来生成一个或多个二维图像的代码，g)用于组合二维图像数据以生成物体30的三维数据和图像的代码，h)用于显示物体30的一个或多个图像的代码，i)用于所计算的深度切片和图像处理的任何其他适合的代码。CRM 154也可包括用于执行信号处理或可由本领域的普通技术人员创建的其他软件相关的功能中的任何一种的代码。代码可为任何适合的编程语言，包括C、C++、Pascal等。
尽管没有示出，定量DIC设备100可还包括通信地耦合到处理器152的显示器。可使用任何适合的显示器。在一个实施方式中，显示器可为定量DIC设备100的一部分。显示器可将信息例如物体30的图像提供给定量DIC设备100的用户。此外，定量DIC设备100可还具有通信地耦合到处理器152的输入设备。
B.第二配置
图4是根据本发明的一个实施方式的在第二配置中的定量DIC设备100的部件的侧视图的示意图。定量DIC设备100的第二配置包括传感器元件的二维波阵面传感器阵列210，其用于在单个快照读取中测量关于图像波阵面120的二维数据而不需要光栅扫描。
在示出的实例中，定量DIC设备100包括用于将光提供到正被成像的物体30的照明光源20。物体30调制或以其他方式改变光并导致图像波阵面120。虽然在所示的实施方式中示出了提供了在单一方向上的光的单个照明光源20，但可使用提供在一个或多个方向上的光的多个照明光源。
定量DIC设备100也包括与波阵面传感器阵列210进行通信的波阵面转送系统130。波阵面转送系统130将由物体30生成的图像波阵面120投射或以其他方式转送到波阵面传感器阵列210。波阵面传感器阵列210的每个传感器元件(像素)测量由物体30的点导致的图像波阵面120的局部强度和斜率，图像波阵面120与传感器元件(像素)共轭。在这种情况下，定量DIC设备100同时自然地测量由物体30调制的图像波阵面120的局部强度和斜率的二维图。虽然在所示的实施方式中没有示出光栅扫描设备，但另一实施方式可包括光栅扫描设备140以光栅扫描物体30或包括波阵面传感器阵列210以形成较密集地采样的图像。
定量DIC设备100还包括具有与计算机可读介质(CRM)154进行通信的处理器152的主计算机150。主计算机150与波阵面传感器阵列210进行通信以接收波阵面数据。定量DIC设备100的一个或多个部件可位于主体内，所述主体可为多层结构或单个单片结构。
定量DIC设备100基于所测量的强度分布使用式(2)和(3)来测量图像波阵面120的二维振幅和相位梯度。使用展开方法，定量DIC设备100可利用所测量的二维振幅和相位梯度信息来重构与物体30相关的二维图像波阵面120。定量DIC设备可将所重构的图像波阵面120计算地传播到在穿过物体30的厚度的不同的深度处的一个或多个z平面。定量DIC设备100可生成强度图像、在x方向上的相位梯度图像、和在物体30的y方向上的相位梯度图像、重构的图像、和在穿过物体30的厚度的不同深度处的所传播的二维图像。在一些情况下，二维图像是物体30的横截面图像。定量DIC设备100也可组合二维波阵面数据以产生物体30的三维数据和图像。在以下章节中将详细描述计算深度切片方法。
在所示的实施方式中，主计算机150是定量DIC设备100的一个部件。在其他实施方式中，主计算机150可为分离的设备。尽管处理器152和CRM154被示为定量DIC设备100的部件，但在其他实施方式中，处理器152和CRM 154可为波阵面传感器的部件。
在所示的实施方式中，处理器150接收由波阵面传感器阵列210测量的具有与图像波阵面120的强度分布和斜率数据有关的波阵面数据的信号。波阵面数据可包括由波阵面传感器阵列210测量的图像波阵面120的强度分布和斜率的二维图、与图像波阵面120相关的振幅和相位梯度信息、光的波长、和/或关于由波阵面传感器阵列210接收的光的其他信息。处理器150执行存储在CRM 154上的代码以执行定量DIC设备100的一些功能，例如解释由波阵面传感器阵列210测量的强度分布和/或斜率数据，生成与由物体30导致的图像波阵面120相关的振幅和相位梯度信息，使用振幅和相位梯度信息来重构图像波阵面120，通过将图像波阵面120数字地传播回穿过物体30的深度的多个z平面来计算物体的深度切片以生成关于物体30的二维图像信息，以及从物体30的多个z平面的二维信息生成关于物体30的三维信息。
CRM 154可以指存储数据的任何计算机可读介质(例如，存储器)且可为包括存储器芯片等的任何适合的形式。CRM 154存储用于执行定量DIC设备100的一些功能的代码。该代码可由处理器执行。在一个实施方式中，CRM 154包括a)用于解释从波阵面传感器阵列210接收的光分布数据的代码，b)用于从光分布数据生成局部斜率数据的代码，c)用于确定图像波阵面120的振幅及使用光分布数据确定在两个正交方向上的图像波阵面120的相位梯度的代码，d)用于使用在两个正交方向上的振幅和相位梯度数据来重构图像波阵面的代码，e)用于将重构的波阵面从探测器z平面传播到一个或多个z平面的代码，f)用于基于强度、在x方向上的相位梯度、在y方向上的相位梯度、重构的波阵面、和/或所传播的波阵面来生成一个或多个二维图像的代码，以及g)用于组合二维图像数据以生成物体30的三维数据和图像的代码，h)用于显示物体30的一个或多个图像的代码，和i)用于所计算的深度切片和图像处理的任何其他适合的代码。CRM154也可包括用于执行信号处理或可由本领域的普通技术人员创建的其他软件相关的功能中的任何一种的代码。代码可为任何适合的编程语言，包括C、C++、Pascal等。
尽管没有示出，定量DIC设备100可还包括通信地耦合到处理器152的显示器。可使用任何适合的显示器。在一个实施方式中，显示器可为定量DIC设备100的一部分。显示器可将信息例如物体30的图像提供给定量DIC设备100的用户。
C.第三配置
图5是根据本发明的一个实施方式的在第三配置中的定量DIC设备100的部件的侧视图的示意图。定量DIC设备100的第三配置去除了包括在第一和第二配置中的波阵面转送系统130。在所示的实施方式中，定量DIC设备100包括传感器元件的二维波阵面传感器阵列210，其用于同时测量关于图像波阵面120的二维数据。在另一实施方式中，在第三配置中的定量DIC设备100包括单像素波阵面传感器110和光栅扫描设备140。在又一实施方式中，在第三配置中的定量DIC设备100包括使用在图10(a)和10(b)中示出的光流体显微镜(OFM)扫描方案的一维OFM波阵面传感器阵列。在该实施方式中，当物体30通过流体通道时，传感器元件探测以线扫描形式的时变数据。线扫描被编译以生成二维数据。
在图5示出的所示实例中，定量DIC设备100包括将光提供到正被成像的物体30的照明光源20。物体30调制或以其他方式改变光，这导致了图像波阵面120。虽然在所示的实施方式中示出了提供在单一方向上的光的单个照明光源20，但可使用提供在一个或多个方向上的光的多个照明光源。
定量DIC设备100还包括具有与计算机可读介质(CRM)154进行通信的处理器152的主计算机150。主计算机150与波阵面传感器阵列210进行通信以接收波阵面数据。
波阵面传感器阵列210的每个传感器元件(像素)测量由物体30的点导致的图像波阵面120的局部强度和斜率，图像波阵面120与传感器元件(像素)共轭。在这种情况下，定量DIC设备100同时自然地测量由物体30调制的图像波阵面120的局部强度和斜率的二维图。虽然在所示的实施方式中没有示出光栅扫描设备，但另一实施方式可包括光栅扫描设备140以光栅扫描物体30或包括波阵面传感器阵列210以形成较密集地采样的图像。
定量DIC设备100基于所测量的强度分布使用式(2)和(3)来测量图像波阵面120的二维振幅和相位梯度。使用展开方法，定量DIC设备100可利用所测量的二维振幅和相位梯度信息来重构与物体30相关的二维图像波阵面120。定量DIC设备可将所重构的图像波阵面120计算地传播到在穿过物体30的厚度的不同的深度处的一个或多个z平面。定量DIC设备100可生成强度图像、在x方向上的相位梯度图像、和在物体30的y方向上的相位梯度图像、重构的图像、和在穿过物体30的厚度的不同深度处的所传播的二维图像。在一些情况下，二维图像是物体30的横截面图像。定量DIC设备100也可组合二维波阵面数据以产生物体30的三维数据和图像。在以下章节中将详细描述计算深度切片方法。
在所示的实施方式中，主计算机150是定量DIC设备100的一个部件。在其他实施方式中，主计算机150可为分离的设备。尽管处理器152和CRM154被示为定量DIC设备100的部件，但在其他实施方式中，处理器152和CRM 154可为波阵面传感器的部件。
在所示的实施方式中，处理器150接收由波阵面传感器阵列210测量的具有与图像波阵面120的强度分布和斜率有关的波阵面数据的信号。波阵面数据可包括由波阵面传感器阵列210测量的图像波阵面120的强度分布和斜率的二维图、与图像波阵面120相关的振幅和相位梯度信息、光的波长、和/或关于由波阵面传感器阵列210接收的光的其他信息。在一些实施方式中，波阵面数据还包括来自OFM波阵面传感器的可为线扫描形式的时变信息。处理器150执行存储在CRM 154上的代码以执行定量DIC设备100的一些功能，例如解释由波阵面传感器阵列210测量的强度分布和/或斜率数据，生成与由物体30导致的图像波阵面120相关的振幅和相位梯度信息，使用振幅和相位梯度信息来重构图像波阵面120，通过将图像波阵面120数字地传播回传通过物体30的深度的多个z平面来计算物体的深度切片以生成关于物体30的二维图像信息，以及从物体30的多个z平面的二维信息生成关于物体30的三维信息。
CRM 154可以指存储数据的任何计算机可读介质(例如，存储器)且可为包括存储器芯片等的任何适合的形式。CRM 154存储用于执行定量DIC设备100的一些功能的代码。该代码可由处理器执行。在一个实施方式中，CRM 154包括a)用于解释从波阵面传感器阵列210接收的光分布数据的代码，b)用于从光分布数据生成局部斜率数据的代码，c)用于确定图像波阵面120的振幅及使用光分布数据确定在两个正交方向上的图像波阵面120的相位梯度的代码，d)用于使用图像波阵面120的振幅重构图像波阵面并确定在两个正交方向上的相位梯度数据的代码，e)用于将重构的波阵面从探测器z平面传播到一个或多个z平面的代码，f)用于基于强度、在x方向上的相位梯度、在y方向上的相位梯度、重构的波阵面、和/或所传播的波阵面来生成一个或多个二维图像的代码，以及g)用于组合二维图像数据以生成物体30的三维数据和图像的代码，h)用于显示物体30的一个或多个图像的代码，和i)用于所计算的深度切片和图像处理的任何其他适合的代码。CRM 154也可包括用于执行信号处理或可由本领域的普通技术人员创建的其他软件相关的功能中的任何一种的代码。代码可为任何适合的编程语言，包括C、C++、Pascal等。
尽管没有示出，定量DIC设备100可还包括通信地耦合到处理器152的显示器。可使用任何适合的显示器。在一个实施方式中，显示器可为定量DIC设备100的一部分。显示器可将信息例如物体30的图像提供给定量DIC设备100的用户。
此外，一些实施方式的定量DIC设备100也可包括一主体，所述主体合并定量DIC设备100的一个或多个部件。该主体可为多层结构或单个单片结构。
在定量DIC设备100包括OFM波阵面传感器的实施方式中，该主体为多层结构。该主体形成或包括具有第一表面的流体通道。该主体也包括不透明或半透明的光圈层，其为流体通道的内表面层。不透明或半透明的光圈层在其中具有透光区222。在一些情况下，不透明或半透明的光圈层可为薄的金属层。该主体可以可选地包括透明的保护层(未示出)，其覆盖不透明或半透明的光圈层以将不透明或半透明的光圈层与穿过流体通道移动的流体和物体30隔离。
一般而言，可以用多种方式进行成像。例如，物体扫描可由通过光栅扫描设备扫描的波阵面传感器取代。作为另一个实例，二维光栅扫描可由在第11/686,095、11/743,581、12/638,518号美国专利申请中描述的一维(1D)光流体显微镜(OFM)扫描方案取代，为了所有目的，所述美国专利申请特此通过引用被全部并入。使用一维OFM扫描方案的定量DIC设备的实施方式也在以下章节中被详细描述。
本发明的实施方式的定量DIC设备可以用各种方式实现。在一个实施方式中，定量DIC设备可为用在显微镜、相机或其他成像设备上的波阵面传感芯片的形式。波阵面传感芯片可通过成像设备中的端口通信地耦合到成像设备或该芯片可放置在容纳芯片的成像设备的壳体内。通过将波阵面传感芯片耦合到成像设备，该设备可提供有定量DIC功能，例如捕获相位梯度图像和计算深度切片的能力。例如，定量DIC设备可作为自适应光学设备的波阵面传感设备来利用。自适应光学设备通过测量波阵面的变形并利用诸如可变形反射镜或液晶阵列的空间相位调制器来补偿它们而进行操作。
II.波阵面传感器类型
本发明的实施方式的波阵面传感器可用在包括自适应光学、光学测试、自适应显微术、视网膜成像等的各种波阵面传感应用中。在自适应显微镜中使用波阵面传感器的实例可在Booth，MJ.，Neil，M.A.A.，Juskaitis，R.Wilson，T，Proceedings of the National Academy of Sciences of the UnitedStates of America 99，5788(Apr，2002)中找到，为了所有目的，该文通过引用被全部并入本文。在视网膜成像中使用波阵面传感器的实例可在Liang，J.Z，Williams，D.R.，Miller，D.T.，Journal of the Optical Society of Americaa-Optics Image Science and Vision 14，2884(Nov，1997)中找到，为了所有目的，该文通过引用被全部并入本文。
能够同时测量由物体(样本)调制的波阵面的局部强度和斜率的波阵面传感器可以用几种不同的方式实现。下面描述三种类型的波阵面传感器。第一种类型使用结构光圈干涉(SAI)方案。第二种类型使用Shack-Hartmann方案。第三种类型使用光流体显微镜(OFM)方案。这些类型的波阵面传感器可以用在单个传感器元件(像素)配置中或者传感器元件的波阵面传感器阵列(一维或二维)中。如果使用单像素波阵面传感器，可使用光栅扫描设备来扫描物体或波阵面传感器以测量二维图像数据。如果使用波阵面传感器的二维阵列，该阵列可在单个快照读取中捕获二维图像。尽管下文描述了三种类型的波阵面传感器，但任何适合的类型的波阵面传感器可用在定量DIC设备的实施方式中。
实施方式的波阵面传感器可与成像系统(例如，相机系统、显微镜系统等)结合来实现以提供诸如计算物体的深度切片的能力。在这些实现中，一个或多个波阵面传感器可耦合到成像设备(例如，显微镜或相机)或插入到成像设备内以提供另外的能力。
A.结构光圈干涉(SAI)波阵面传感器
SAI波阵面传感器的基本概念类似于在美国专利申请11/743,581、11/686,095和12/638,518中描述的杨氏双缝相位解码方案，为了所有目的，所述美国申请特此通过引用被全部并入。通常，图像波阵面的局部斜率可通过查看在后探测器阵列(光探测器)的零衍射阶的偏差来测量，及图像波阵面的局部强度(振幅)可通过对后探测器阵列上的衍射信号进行积分来测量。
图6(a)、6(b)、6(c)是根据本发明的实施方式的具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备100的部件的侧视图的示意图。SAI波阵面传感器可为单像素波阵面传感器110或者一维或二维的波阵面传感器阵列210。在所示的实例中，SAI波阵面传感器110/210是单像素波阵面传感器110或可为一维或二维的波阵面传感器阵列210的部件。
SAI波阵面传感器110/210包括光圈层220(例如，金属膜)、光探测器230、以及在光圈层220和光探测器230之间的透明层240。光圈层230包括第一透光区222(a)和第二透光区222(b)。这两个透光区222(a)和222(b)位于远离光探测器230的距离D处且彼此分离开间隔Δx。在光探测器230和光圈层220之间的透明层240可包括诸如水或粘性聚合物(例如，SU-8树脂)的一个或多个透明材料层，或可为真空或填充气体的空间。照明光源20将照明(光)提供到物体30，物体30调制或以其他方式改变光，导致图像波阵面。光探测器230测量从透光区222(a)和222(b)接收的光的分布。
光探测器230(例如，光电探测器)可以指能够探测光并生成具有关于强度、波长、波阵面斜率、在一个或多个正交方向上的相位梯度的波阵面数据、和/或关于所探测的光的其他信息的信号。该信号可为产生于光电效应的电流的形式。适合的光探测器230的一些实例包括电荷耦合器件(CCD)或光电二极管(例如，雪崩光电二极管(APD))的线性或二维阵列。光探测器230也可为互补金属氧化物半导体(CMOS)或光电倍增管(PMT)。其他适合的光探测器230可在市场上购买到。
光探测器230包括一个或多个光探测元件232。光探测元件232可具有任何适合的尺寸(例如，1-4微米)和任何适合的形状(例如，圆形或方形)。光探测元件232可被布置成任何适合的形式，例如一维阵列、二维阵列、和多个一维和/或二维阵列。该阵列可具有任何适合的方向或方向的组合。在一些情况中，光探测元件232可被布置为与透光区222(a)和222(b)相同的形式且对应于透光区222(a)和222(b)。光探测器230也包括第一表面230(a)。
在图6(a)和6(b)中，正被成像的物体30是同质的。在图6(c)中，物体30包括特征250，其具有偏离物体30的其他同质部分的折射率变化。作为实例，图6(c)中的物体30可为细胞，而特征250可为具有与细胞的其他部分不同的折射率的细胞核。
在图6(a)、6(b)和6(c)中，透光区222(a)采集参考光束，而透光区222(b)采集样本光束。在这些实例中，透明层(隔板)240具有折射率n和厚度D。当竖直的平面波入射到光圈层220的两个透光区222(a)和222(b)上时，干涉图案280将集中在光探测器230上。在图6(a)中，竖直的平面波入射到光圈层220的两个透光区222(a)和222(b)上且干涉图案280(a)集中或实质上集中在光探测器230上。在该所示的实例中，具有相同相位的样本光束和参考光束从这两个透光区222(a)和222(b)离开，其杨氏干涉260(a)的光强度分布280(a)的质心270(a)集中或实质上集中于光探测器230上。
如果物体30被引入，在透光区222(a)和222(b)之间的由物体30导致的相差将使干涉图案280的质心270移向一侧。相差与干涉图案的偏差Δs直接相关：
Figure BDA0000077439760000192
其中，Δs＜＜D。此外，由物体30导致的微分相位(相位梯度)与干涉图案的偏差(Δs)直接相关：
Figure BDA0000077439760000201
在图6(b)和6(c)中，参考光束和样本光束具有不同的相位。在图6(b)中，样本光束通过物体30的同质部分。在这种情况下，其杨氏干涉260(b)的光强度分布280(b)的质心270(b)在光探测器230上移动了偏差Δs1。在图6(c)中，样本光束通过物体30的异质部分而参考光束通过物体30的同质部分。在这种情况下，其杨氏干涉260(c)的光强度分布280(c)的质心270(c)在光探测器230上移动了偏差Δs2。在一些实施方式中，Δs2可能大于Δs1。在其他实施方式中，Δs2可能小于Δs1。
使用式4和5，定量DIC设备100可利用所测量的偏差来测量图像波阵面的相差和相位梯度。此外，通过积分由光探测器230测量的强度分布，定量DIC设备100可测量局部振幅。通过经由干涉图案的独立方面测量物体30所调制的光的强度和相位梯度，定量DIC设备100可分离振幅和相位信息。
通过利用各种二维结构光圈，例如，4个孔、玫瑰形、环或菲涅尔波带板或单个孔，可将一维杨氏双缝实验推广到二维。二维结构光圈可以指在波阵面传感器110/210的光圈层中的一个或多个透光区222，其中透光区在两个正交方向上(例如，在x和y方向上)延伸。使用二维结构光圈，SAI波阵面传感器110/210可同时测量在两个正交方向(例如，x方向和y方向)上的图像波阵面的局部斜率和相位梯度。该基于光圈的相位解码方案可称为SAI波阵面传感。
定量DIC设备100的一些实施方式具有SAI波阵面传感器110/210，其采用一个或多个二维结构光圈来同时测量在两个正交方向上的振幅和微分相位梯度。在这些实施方式中，二维结构光圈的透光区与光探测器间隔开厚度D。SAI波阵面传感器110/210通常位于成像系统的图像平面上。结构光圈选择性地透射和组合来自图像上的两个方向的光场以在光探测器上形成干涉图案。干涉图案的总透射与透光区处的平均图像强度成比例。
通常，一些实施方式的波阵面传感器110/210(例如，四孔或单孔光圈传感器)可测量光场的空间相位梯度。数学上，一些实施方式的波阵面传感器110/210测量：
Gx(x，y)＝kx(x，y)/k0≈(dφ(x，y)/dx)/k0           (6)
Gy(x，y)＝ky(x，y)/k0≈(dφ(x，y)/dy)/k0及         (7)
A(x，y)，                                          (8)
其中Gx(x，y)是在x方向上的二维相位梯度，Gy(x，y)是在y方向上的二维相位梯度，及A(x，y)是所探测的波阵面的二维振幅。因此，具有波阵面传感器110/210的定量DIC设备100通过适当地组合所测量的数据可数学地重构(展开)所探测的波阵面。一种展开方法由式(9)给出：
ψ measured ( x , y , z ) = A measured ( x , y , z ) exp ( ik 0 ( ∫ 0 x G x ( ( x , y = 0 ) dx + ∫ 0 y G y ( x = x , y ) dy ) ) . - - - ( 9 )
存在很多用于重构场分布的方法(展开)。如果测量的信噪比(SNR)接近无穷大，则展开方法都应该返回同样的结果。根据存出于测量中的噪声的数量和类型，展开方法在其性能上发生变化。
SAI波阵面传感器110/210的实施方式可使用任何适合类型的二维结构光圈。例如，定量DIC设备100可使用以“+”符号配置的形式的二维结构光圈，四个透光区(例如，孔)被布置在正交的x和y方向上的。使用用于微分相位成像的四孔结构光圈的示例性的定量DIC设备可在Lew，Matthew，Cui，Xiquan，Heng，Xin，Yang，Changhuei，Interference of a four-holeaperture for on-chip quantitative two-dimensional differential phase imaging，Optic Letters，Vol.32，No.20，2963(2007)中找到，为了所有目的，该文特此通过引用被全部并入。二维结构光圈的一些其他实例包括单个踏板形的光圈、环或菲涅尔波带板及在正交方向上延伸的透光区的其他适合的布置。
在一些实施方式中，定量DIC设备100具有SAI波阵面传感器110/210，其采用了以“+”符号的形式的四个透光区(例如，孔)的二维结构光圈来同时测量在x方向和y方向上的图像波阵面的微分相位和振幅。“+”符号的两个长轴分别在正交的x和y方向上。通过将SAI波阵面传感器放置在成像系统的图像平面中，四个透射区将选择性地透射和组合来自图像上的四个相邻点的光场以形成由光探测器读取的干涉图案。干涉的总透射与在透光区处的平均图像强度成比例。除了隔板厚度D以外，零阶干涉光斑的偏差offsetx(x，y)和offsety(x，y)分别与透光区的净波阵面梯度Gx(x，y)和Gy(x，y)相关：
G x ( x , y ) = 1 1 + ( D offset x ( x , y ) ) 2 ,
G y ( x , y ) = 1 1 + ( D offset y ( x , y ) ) 2 . - - - ( 10 )
图7(a)(1)和7(a)(2)是根据本发明的实施方式的以“+”符号配置的形式的二维结构光圈300的透视图的示意图。在所示的实例中，定量DIC设备100包括具有在“+”符号配置中在x和y方向上延伸的4个透光区222的二维结构光圈300的光圈层220。使用二维结构光圈300，定量DIC设备100可测量在x和y方向上的微分相位和振幅。定量DIC设备100也具有位于离光圈层230的距离D处的光探测器230。定量DIC设备100也包括位于光圈层220和光探测器230之间的具有厚度D的透明层240。透明层240可由诸如水或粘性聚合物(例如，SU-8树脂)的一层或多层透明材料构成或者可为真空或填充空气的空间。可使用在“+”符号配置中的透光区222之间的任何适合的间隔Δx。适当的间隔Δx的一些实例为1μm、2μm或3μm。
在图7(a)(1)和7(a)(2)中，光探测器230接收通过在二维结构光圈300中的透光区222的光。在图7(a)(1)中，照明光源20垂直于第一表面220(a)投射光场。在图7(a)(2)中，照明光源20与第一表面22(a)成一角度投射光场。在图7(a)(1)和7(a)(2)中，以不同的角度投射的光场分别导致在光探测器230上的不同的投影310(a)和310(b)。
图7(b)、7(c)和7(d)是根据本发明的实施方式的由具有二维结构光圈300的扫描电子显微镜获取的图像。图7(b)示出了以单踏板形光圈的形式的二维结构光圈300。图7(c)和7(d)示出了以“+”符号配置的形式的透光区222的二维结构光圈300。在图7(c)中的结构光圈300中的透光区222之间的间隔小于图7(d)中示出的结构光圈300中的透光区222之间的间隔。图7(e)、7(f)和7(g)为根据本发明的实施方式的分别来自7(b)、7(c)和7(d)的二维结构光圈300的因而产生的干涉图案的图像。图7(h)是具有圆形框的菲涅尔波带板结构光圈的示意图。
图8是根据本发明的实施方式的具有SAI波阵面传感器110/210的定量DIC设备100的部件的侧视图的示意图。SAI波阵面传感器110/210光圈层220，其具有三个结构光圈300的阵列325。SAI波阵面传感器110/210也包括光探测器230和位于光圈层220和光探测器230之间的具有厚度D的透明层240。透明层240可由诸如水或粘性聚合物(例如，SU-8树脂)的一层或多层透明材料构成或者可为真空或填充空气的空间。
在所示的实施方式中，定量DIC设备100是相机系统的一个部件，所述相机系统具有提供在z方向上的光的第一照明光源20(a)和提供在另一方向上的光的第二照明光源20(b)(例如闪光灯)。在该实例中，来自附加的照明光源的光从物体30反射。物体30调制或以其他方式改变来自照明光源20(a)和20(b)的光，导致了图像波阵面120。在其他实施方式中，可去除第二照明光源20(b)，例如作为显微镜系统的一个部件的定量DIC设备100。在另外其他的实施方式中，其他照明光源可提供来自其他方向的光。
定量DIC设备100也包括与波阵面传感器110/210进行通信的波阵面转送系统130(例如，一个或多个透镜)。波阵面转送系统130将由物体30导致的波阵面120转送到SAI波阵面传感器110/210。在其他实施方式中，定量DIC设备100也可包括具有处理器152和计算机可读介质154的主计算机150。
在操作中，照明光源20(a)和20(b)将光提供到物体30，导致图像波阵面120。波阵面转送系统130将图像波阵面120转送到SAI波阵面传感器110/210的结构光圈300。光通过该结构光圈。SAI波阵面传感器110/210测量由光探测器230读取的光分布的零衍射阶的在x和y方向上的偏差。SAI波阵面传感器110/210使用式(2)和(3)基于偏差测量在x和y方向上的二维相位梯度。SAI波阵面传感器110/210通过对光探测器230上的强度读数进行积分也测量图像波阵面的振幅。使用展开方法，定量DIC设备100可然后重构图像波阵面120。定量DIC设备100也可将重构的波阵面传播到与物体30相交的一个或多个平行平面，以便计算物体30的深度切片。定量DIC设备100也可编译有关重构的和传播的波阵面的信息以生成关于物体30的三维信息。基于振幅、在第一方向上的相位梯度、和/或在与第一方向正交的第二方向上的相位梯度，定量DIC设备100可生成物体30的二维或三维图像。
定量DIC设备100也包括x轴、y轴和z轴。x轴和y轴位于光探测器230的表面230(a)的平面内。Z轴与表面230(a)的平面垂直。
B.Shack-Hartmann波阵面传感器
Shack-Hartmann波阵面传感器包括具有相同焦距的微透镜阵列。每一Shack-Hartmann波阵面传感器使横越每一微透镜的局部波阵面聚焦并在光电探测器上形成焦斑。可然后从光传感器上的焦斑的位置计算波阵面的局部斜率。Shack-Hartmann波阵面传感器的原理在Platt，Ben C.and Shack，Roland，History and Principles of Shack-Hartmann Wavefront Sensing，Journalof Refractive Surgery 17，S573-S577(September/October 2001)中和在Wikipedia，Shack-Hartmann，at http://en.wikipedia.org/wiki/Shack-Hartmann(last visited January 21，2009)中被进一步描述，为了所有目的，所述文献特此通过引用被全部并入。
微透镜可以指通常具有小于约1毫米的直径的小透镜，且可以小到约10微米。微透镜可具有任何适合的形状(例如，圆形、六角形等)。微透镜也可具有任何适合的表面配置。在一个实例中，微透镜是具有一平表面和一折射光的球形凸表面的结构。在另一实例中，微透镜具有两个平的平行表面，且聚焦作用通过横越微透镜的折射率的变化来得到。在另一实例中，微透镜是具有通过折射来聚焦光的一组同心曲面的微菲涅尔透镜。在又一实例中，微透镜是具有带阶梯状边缘的凹槽的二元光学微透镜。
微透镜阵列可以指一个或多个微透镜的一维或二维阵列。Shack-Hartmann波阵面传感器包括具有微透镜阵列的光圈层，所述微透镜阵列具有位于光圈层内的透光区(例如，孔)内的一个或多个微透镜。Shack-Hartmann波阵面传感器110/210也包括光探测器230和位于光圈层220和光探测器230之间的具有厚度D的透明层240。透明层240可由诸如水或粘性聚合物(例如，SU-8树脂)的一层或多层透明材料构成或者可为真空或填充空气的空间。
图9是根据本发明的实施方式的具有Shack-Hartmann波阵面传感器110/210的定量DIC设备100的部件的侧视图的示意图。在所示的实施方式中，Shack-Hartmann波阵面传感器110/210具有包括微透镜阵列325的光圈层230，微透镜阵列325具有三个微透镜330。
在所示的实施方式中，定量DIC设备100是相机系统的一个部件，所述相机系统具有提供在z轴方向上的光的第一照明光源20(a)和提供在另一方向上的光的第二照明光源20(b)(例如闪光灯)。在该实例中，来自附加的照明光源的光从物体30反射。物体30改变来自照明光源20(a)和20(b)的光，导致了图像波阵面120。在其他实施方式中，可使用其他照明光源或单个照明光源。定量DIC设备100也包括与波阵面传感器110/210进行通信的波阵面转送系统130(例如，一个或多个透镜)。在其他实施方式中，定量DIC设备100也可包括具有处理器152和计算机可读介质154的主计算机150。
在操作中，照明光源20将光提供到物体30，导致图像波阵面120。波阵面转送系统130将由物体30导致的图像波阵面120转送到微透镜330的阵列320。每一微透镜330将光汇聚到光探测器230上的焦班。Shack-Hartmann波阵面传感器110/210测量光探测器230上的焦班位置的偏差。Shack-Hartmann波阵面传感器110/210测量由式(2)和(3)给出的在x方向和y方向上的二维相位梯度和振幅。Shack-Hartmann波阵面传感器110/210通过对光探测器230上的强度读数进行积分也测量图像波阵面的振幅。定量DIC设备100可然后使用展开方法来重构图像波阵面120，并将波阵面从光探测器230的表面230(a)处的平面传播到与物体30相交的任意数目的平行平面以确定在穿过物体30的厚度的不同深度处的图像数据。定量DIC设备100也可编译有关波阵面120的二维信息以生成关于物体30的三维信息。基于振幅、在第一方向上的相位梯度、和/或在与第一方向正交的第二方向上的相位梯度，定量DIC设备100可生成物体30的二维或三维图像。
定量DIC设备100也包括x轴、y轴和z轴。x轴和y轴位于光探测器230的表面230(a)的平面内。Z轴与表面230(a)的平面垂直。
C.光流体显微镜(OFM)波阵面传感器
以上的紧凑和无透镜的二维微分相位测量方案也可在OFM成像方案中采用。通过用二维结构光圈代替强度OFM设备的单个透光区，强度OFM设备变成芯片上的和定量微分干涉差光流体显微镜，其能够在紧凑而廉价的设备中提高图像质量，同时提供高吞吐量。定量DIC设备具有OFM波阵面传感器，其包括具有二维结构光圈的阵列的光圈层、光探测器和在光圈层和光探测器之间的具有厚度D的透明层。OFM波阵面传感器可确定物体的图像波阵面的振幅及确定在物体的二维正交方向上的图像波阵面的相位梯度。杨氏双缝实验提供了该技术的基础。
图10(a)是包括以单个透光区222的一维阵列410的形式的透光区222的强度OFM设备400的部件的俯视图的示意图。强度OFM设备400也包括形成或包括流体通道430的主体420。透光区222位于主体420的光圈层440中。强度OFM设备400也包括光探测器230(在图4中示出)，所述光探测器具有用于获取当物体30穿过流体通道430行进时通过透光区222接收的光的随时变读数的元件。该强度OFM设备400可使用时变读数基于由光探测器230探测的光强度来重构物体30的图像。
图10(b)是根据本发明的实施方式的具有OFM波阵面传感器210的定量DIC设备100的部件的俯视图的示意图。定量DIC设备100包括含有OFM波阵面传感器210并形成或包括流体通道430的主体420。主体420可为多层结构或单个单片结构。在所示的实例中，该主体420是具有不透明或半透明的光圈层440的多层结构，所述光圈层为流体通道22的内表面层。不透明或半透明的光圈层440在其中具有透光区222。在一些情况下，不透明或半透明的光圈层440可为薄的金属层。该主体420可能可选地包括透明的保护层(未示出)，其覆盖不透明或半透明的光圈层440以将不透明或半透明的光圈层440与穿过具有OFM波阵面传感器210的定量DIC设备100的流体通道430移动的流体和物体30隔离。
流体通道430可具有任何适合的尺寸。例如，流体通道430的宽度和/或高度可均小于大约10、5或1微米。在一些实施方式中，可基于正被定量DIC设备100成像的物体30的大小来依尺寸制造流体通道430。例如，当正被成像的物体30为8微米时，流体通道430的高度可为10微米，以便保持物体30靠近不透明或半透明的光圈层440，这可有助于改善图像质量。在大多数实施方式中，流体通道430中的流体的流动通常在x轴的方向上。
OFM波阵面传感器210包括结构光圈300的一维阵列450。每个结构光圈300处于在正交的x方向和y方向上延伸的透光区222的“+”符号配置的配置中。在其他实施方式中，可使用其他配置(例如，玫瑰形、振铃形、单孔等)。在一个实施方式中，微透镜位于一个或多个透光区内以用于使光聚焦。
OFM波阵面传感器210也包括光探测器230(在图8中示出)，所述光探测器具有用于获取当物体30穿过流体通道430移动时从透光区222接收的光的时变读数的元件(例如，像素)。OFM波阵面传感器210也包括在光圈层440和光探测器230之间的具有厚度D的透明层(在图8中示出)。透明层240可由诸如水或粘性聚合物(例如，SU-8树脂)的一层或多层透明材料构成或者可为真空或填充空气的空间。可使用在结构光圈300中的透光区222之间的任何适合的间隔Δx。适当的间隔Δx的一些实例为1μm、2μm或3μm。
定量DIC设备100也包括在不透明或半透明的光圈层440的外部的照明光圈20(在图8中示出)。照明光源例如在图8中示出的那些照明光源可将光提供到流体通道430。当流体穿过流体通道430流动时，流体中的物体30被照明光源照亮。物体30改变(例如，阻挡、减小强度、和/或改变波长)通过其的光，并将光从其反射或折射到透光区222。光探测器230中的元件探测穿过透光区222透射的光。
定量DIC设备100也包括x轴和y轴，其位于接近流体通道430的光探测器230的内表面的平面内。x轴沿着流体通道430的纵轴伸展。y轴在光探测器230的内表面的平面内与x轴垂直。
在不透明或半透明的光圈层440中的透光区222可具有任何适合的形状和任何适合的尺寸。在所示的实例中，透光区222为孔。孔可被蚀刻到例如不透明或半透明的光圈层440(例如，薄金属层)中。在另一实施方式中，透光区222可为一条或多条缝的形式。缝可以指细长的开口例如窄矩形。每条缝可具有任何适合的尺寸。缝可具有一致的尺寸或可具有可变化的尺寸。缝可被定向在相对于流体通道430的x轴的任何适合的角度处。
在所示的实施方式中，在结构光圈300的一维阵列450中的透光区222共同从流体通道430的一个横向表面430(a)延伸到另一横向表面430(b)。一维阵列450位于相对于x轴的角度θ处。该角度θ可为任何适合的角度。尽管所示的实施方式包括一维阵列，但其他实施方式可包括具有可被使用的结构光圈300的其他适合的形式的OFM波阵面传感器210，所述结构光圈300的其他适合的形式例如是缝、二维阵列或多个一维和/或二维阵列。此外，结构光圈300的形式可以在任何适合的方向或方向的组合。
在操作中，光探测器230获取当物体30穿过流体通道430移动时从透光区222接收的光的时变读数。定量DIC设备100使用时变数据来确定由透光区222的“+”符号配置产生的二维光强度分布。定量DIC设备100使用光强度分布来确定在正交的x方向和y方向上的干涉以确定偏差。定量DIC设备100也基于所确定的干涉来确定在正交的x方向和y方向上的微分相位(梯度)。定量DIC设备100也通过对映射到特定的一组透光区222的在光探测器230的区域上探测的光的强度求和来确定振幅。定量地测量在样本波阵面的两个正交方向上的振幅和微分相位的方法的实例可在Cui，Xiquan，Lew，Matthew，Yang，Changhuei，Quantitative differentialinterference contrast microscopy based on structured-aperture interference，Appl.Phys.Lett.93，091113(2008)中找到，为了所有目的，该文特此通过引用被全部并入。
在SAI和OFM波阵面传感器中，结构光圈将图像波阵面的相位梯度转换为可测量的形式，即，由光探测器测量的光场的投影的偏差。在Shack-Hartmann波阵面传感器中，微透镜被用于将图像波阵面的相位梯度转换为光探测器上的焦点的运动。使用SAI或OFM波阵面传感器的优势在于，简单的结构光圈提供了构建比具有微透镜的Shack-Hartmann波阵面传感器更紧凑和有成本效益的波阵面传感器的能力。此外，在SAI波阵面传感器中的结构光圈的间隔可比Shack-Hartmann波阵面传感器的微透镜之间的间隔小得多。较小的间隔可提供较高的空间分辨率和较密的波阵面采样，这可能在探测由许多生物样本生成的复杂波阵面时尤其有益。
IV.计算深度切片
A.方法
计算深度切片指使用具有波阵面传感器110/210的定量DIC设备100来确定在穿过物体30的厚度的不同深度处的图像的技术。可使用任何类型的波阵面传感器110/210。在一些实施方式中，忽略了偏振效应。为了简单起见，假设在这些实施方式中，该技术以线偏振的光场和在光场去偏振时或在以任何其他方式干扰光场的偏振时没有相互作用为前提。
计算深度切片技术的方法主要基于两个概念。根据第一概念，在任意给定的平面z处的光场可完全通过完整的一组空间变化的振幅和相位信息来进行描述。换句话说，在平面z处的光场可由式(11)描述为：
ψ(x，y，z)＝A(x，y，z)exp(iφ(x，y，z))          (11)
其中ψ{x，y，z)是平面z处的光场，A(x，y，z)是平面z处的振幅，及φ(x，y，z)是平面z的相位。第二概念提供了Huygen原理，其规定在较前或较后的平面的光场(较高或较低的z值)可从在平面z处的光场计算出来。换句话说，根据式(12)，已知的函数(f)连接：
ψ(x，y，z+Δz)＝f(ψ(x，y，z)，Δz)         (12)
其中ψ(x，y，z+Δz)是在平面(z+Δz)处的光场。在电磁理论中，函数(f)是众所周知的且被研究。例如，该函数f在Kraus，John Daniel，Fleisch，DanielA.，Electromagnetics with Applications(5Ed)，Chapters 4-16(1999)中进行了被描述，为了所有目的，该文通过引用被全部并入本文。该计算假设在平面z和平面(z+Δz)之间不存在未知的散射物体。
这两个概念在应用于本发明的实施方式中的相位成像时很强大。这意味着，如果可测量在传感器的平面(平面z)处的相位和振幅分布，则可计算和获取在传感器上方的不同高度(不同的(z+Δz)平面)处的光场分布。实际上，光场分布是在这些选取的平面处的图像。根据该处理，如果波阵面传感器能够测量在光探测器平面z处的二维相位和振幅数据，则定量DIC设备可使用该数据来用数字重构该图像并将其数字地传播到在光探测器的平面z的上方或下方的任意平面z+Δz。
光场的传播完全由麦克斯韦方程控制。如果可测量在传感器处的相位和振幅分布，则可利用该信息并计算在传感器的上方(或传感器下方)的任意给定平面处的光场分布。所计算的光场的振幅分布等效于设置在z+Δz处的焦平面获取的传统的显微镜图像。如果没有未知的物体存出于平面z和z+Δz之间，该处理是绝对正确的。
图11示出了根据本发明的实施方式的说明传播方法的示意图。在所示的实例中，照明光源20提供光。第一波阵面120(a)在平面z+Δz处的光分布是ψ(x，y，z+Δz)。在该实例中，平面z指垂直于z轴的平面且与波阵面传感器110/210的光探测器230的表面230(a)重合。平面z+Δz指平行于平面z且与平面z距离Δz的平面。
在图11中，波阵面传感器110/210的光探测器230测量在平面z处的第二(探测的)波阵面120(b)的光分布ψ(x，y，z)。基于所测量的光分布ψ(x，y ，z)，光探测器230测量与平面z处的第二(探测的)波阵面120(b)相关的、在两个正交方向上的二维振幅和二维相位梯度数据。使用被探测的波阵面120(b)的所测量的相位和振幅信息，波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152数字重构具有光分布ψ(x，y，z)的第三(重构的)波阵面120(c)。波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152基于重构的光分布ψ(x，y，z)计算并提供在平面z+Δz处的第四(传播的)波阵面120(d)的光分布ψ计算(x，y，z+Δz)。即，波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152将重构的波阵面120(c)从平面z数字地传播到平面z+Δz以生成第四(传播的)波阵面120(d)。
使用如上所述的相同的数学框架通过忽略在计算期间散射体的存在并向后计算在z+Δz处的光场，可以在计算上执行未知的但为弱散射体(例如，透明的物体)的成像。通过忽略物体的存在，使用该框架，定量DIC设备可通过向后计算地将平面z处的物体的重构图像传播到在平面z的上方和下方的平行平面来对物体进行成像。
图12是根据本发明的实施方式的使用处理器的传播方法的示意图。在该实例中，照明光源产生与在平面z+Δz′处的均匀的光分布ψ(x，y，z+Δz′)相关的均匀的波阵面120(e)。平面z+Δz′指在照明光源20和物体30之间的、平行于平面z且与平面z距离Δz′的平面。在平面z+Δz处，物体30包括与光分布ψ(x，y，z+Δz)相关的第一(导致的)波阵面120(a)。平面z+Δz指平行于平面z且与平面z距离Δz的平面。波阵面传感器110/210的光探测器230测量在平面z处的第二(探测的)图像波阵面120(b)的光分布ψ(x，y，z)。光探测器230基于光分布ψ(x，y，z)来测量在平面z处的第二(探测的)图像波阵面120(b)的振幅和相位梯度。在该实例中，平面z指垂直于z轴且与波阵面传感器110/210的光探测器230的表面230(a)重合的平面。
波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152基于被探测的图像波阵面120(b)的所测量的相位和振幅信息来用数字重构第三(重构的)图像波阵面120(c)的光分布ψ(x，y，z)。波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152基于重构的光分布ψ(x，y，z)来计算并提供在平面z+Δz处的第一(传播的)图像波阵面120(d)的计算的光分布ψ计算(x，y，z+Δz)。即，波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152将重构的图像波阵面120(c)从平面z数字地传播到平面z+Δz以生成第一传播的波阵面120(d)，其近似于第一导致的波阵面120(a)。波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152也基于重构的波阵面120(c)或基于第一传播的图像波阵面120(d)来计算并提供在平面z+Δz’处的第二传播的图像波阵面120(f)的所计算的光分布ψ计算(x，y，z+Δz’)。第二传播的图像波阵面120(f)近似于与均匀的光分布ψ(x，y，z+Δz)相关的图像波阵面120(e)。以同样的方式，波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152可将重构的图像波阵面120(c)或任何以前传播的图像波阵面数字地传播到在穿过物体30的厚度的任何高度处的其他z平面。波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152可通过传播在穿过物体30的不同高度处的图像波阵面来计算物体30的深度切片。
所计算的光场的振幅分布等效于在设置在z+Δz的焦平面处获取的传统的显微镜图像。实际上，它可以是相同的。在传统的显微镜中，该计算由光学元件光学地执行。通过调整光学元件(例如，透镜)，可以将不同的平面对好焦距，但实际上要做的是对光学计算过程进行微调。
图13(a)和13(b)通过传统的显微镜获取的聚焦方法的示意图。在该方法，移动光学元件(例如，透镜)来使不同的平面对好焦距。在图13(a)中，显微镜调节光学元件以使平面z+Δz对好焦距。在图13(b)中，显微镜调节光学元件以使平面z+Δz’对好焦距。
在图13(a)中，照明光源生成与在平面z+Δz’处的均匀的光分布ψ(x，y，z+Δz′)相关的均匀的波阵面120(e)。平面z+Δz’指在照明光源20和物体30之间的、平行于平面z且与平面z距离Δz′的平面。在平面z+Δz处，物体30导致与光分布ψ(x，y，z+Δz)相关的第一(导致的)波阵面120(a)。平面z+Δz指平行于平面z且与平面z距离Δz的平面。光学元件500放置在远离传感器510一段距离处以计算光分布ψ计算(x，y，z+Δz)以将图像波阵面120(f)聚焦到平面z+Δz上。
在图13(b)中，照明光源生成与在平面z+Δz’处的均匀的光分布ψ(x，y，z+Δz′)相关的均匀的波阵面120(e)。平面z+Δz’指在照明光源20和物体30之间的、平行于平面z且与平面z距离Δz′的平面。在平面z+Δz处，物体30导致与光分布ψ(x，y，z+Δz)相关的第一(导致的)波阵面120(a)。平面z+Δz指平行于平面z且与平面z距离Δz的平面。光学元件500放置在远离传感器510一段距离处以计算光分布ψ计算(x，y，z+Δz’)以将图像波阵面120(f)聚焦到平面z+Δz’上。
在一些情况下，该过程可能不完善，因为如果散射体较厚和/或高度散射，则不能获得好的图像，因为在计算过程中散射体是可忽略的假设被违反。然而，该问题可能影响使用定量DIC设备的基于计算的深度切片且同样影响使用传统的显微镜的基于光学的切片。“没有免费的午餐”的公理同样适用于这两种情况。对于较薄的组织切片或细胞样本，失真可能在名义上是可容忍的。在实际的情况中，在失真开始变得严重之前，通常可以处理100微米厚的组织样本。
能够在空间上测量振幅和相位的传感器需要基于传播方法来计算物体的深度切片。波阵面传感器实施方式具有测量计算物体的深度切片所需要的二维振幅和相位的能力。此外，在一些情况下，传感器测量的信噪比可能需要较高。否则所计算的图像可能质量较差。
可对任何配置的定量DIC设备100或任何类型的波阵面传感器110或210(例如，SAI波阵面传感器、Shack-Hartman波阵面传感器和OFM波阵面传感器)做出修改、增加或省略而不偏离本公开的范围。根据特定的需要，任何配置的定量DIC设备100或任何类型的波阵面传感器110或210的部件可为集成的或分离的。例如，处理器152可为光探测器230的部件。此外，定量DIC设备100的操作可通过较多、较少或其他部件来执行及波阵面传感器110或210的操作可通过较多、较少或其他部件来执行。此外，定量DIC设备100或波阵面传感器110/210的操作可使用包括软件、硬件、其他逻辑、或前述任何适合的组合的任何适合的逻辑来执行。
B.流程图
图14是根据本发明的实施方式的使用具有波阵面传感器110/210的定量DIC设备100的计算深度切片方法的流程图。在该方法中使用的定量DIC设备100可具有任何类型的波阵面传感器110/210。波阵面传感器110/210的适合的类型包括SAI波阵面传感器、Shack-Hartman波阵面传感器和OFM波阵面传感器，或其他适合的波阵面传感器。此外，可使用任何适合的配置的波阵面传感器110/210。例如，定量DIC设备100可具有单像素波阵面传感器110、传感器元件210的一维阵列、二维波阵面传感器阵列210等。如果波阵面传感器110/210是单像素波阵面传感器，可采用光栅扫描设备来扫描波阵面传感器或物体以在单一时间获取二维读数。如果波阵面传感器110/210是二维波阵面传感器阵列，则波阵面传感器可同时获取图像波阵面的二维读数。如果波阵面传感器110/210是一维阵列，则波阵面传感器110/210可读取以线扫描形式的时变数据，并编译线扫描以生成二维波阵面数据。
该方法以照明光源或光源20提供光(步骤600)开始。在没有物体30存在的情况下，光生成具有在照明光源20的平面z+Δz′处的光分布ψ{x，y，z+Δz′)的初始波阵面。照明光源或光源20提供在任何适当方向上的光。如果定量DIC设备100是相机系统的部件，诸如闪光灯、环境光等的多个照明光源20可提供来自多个方向的光。如果定量DIC设备100是显微镜的部件，单个照明光源20可提供在沿着z轴朝向波阵面传感器的单一方向上的光。在一个实施方式中，波阵面转送系统130将波阵面转送或投射到波阵面传感器。在其他实施方式中，波阵面转送系统130被消除且波阵面直接投射到波阵面传感器110/210。
接下来，波阵面传感器110/210测量在平面z处的初始波阵面120的光分布ψ(x，y，z)(步骤602)。初始波阵面由光探测器230的光探测元件232通过结构光圈300接收。如果波阵面传感器是单像素波阵面传感器110，光探测器230使用光栅扫描设备140来扫描波阵面传感器110/210或物体30以在单一时间生成二维光强度分布的读数。如果波阵面传感器是二维传感器阵列，光探测器230可以在快照读取中读取二维光强度分布而不需要光栅扫描。如果波阵面传感器是使用OFM方案(OFM波阵面传感器)的一维传感器阵列，光探测器230读取当物体30通过流体通道时的时变数据。时变数据可为线扫描的形式，线扫描可被编译以生成二维光分布。
波阵面传感器110/210或主计算机150的处理器152将每个结构光圈300的光投影/分布与其他结构光圈300的光投影/分布相分离(步骤604)。一旦分离，光分布/投影就可用于将光探测器230的光探测元件232映射到结构光圈300。
可使用用于分离投影/分布的任何适合的技术。在一个实施方式中，可通过抑制来自穿过相邻结构光圈300的波阵面120的相邻投影的串扰来执行分离。在该实施方式中，处理器152可确定光分布的最大强度值。处理器152可然后确定已读取最大强度值的光探测元件232。处理器152可确定在读取最大强度值的光探测元件232之间的光探测器230上的中点。处理器152可然后使用该中点将读取光分布的光探测元件与特定的结构光圈相分离。可选地，在具有最大强度值的每个光探测元件232周围的光探测元件232的预定数目可限定与每个结构光圈300相关的光探测元件232。
接下来，处理器152预测每个投影/分布300的中心(步骤606)。可使用任何方法来预测初始中心。在一个实施方式中，处理器152可确定每个投影/分布的中心是具有最高强度值的光探测元件。
引入物体30(步骤608)。在其他实施方式中，步骤602至步骤606可在步骤614之后且在步骤616之前执行。可使用任何适合的技术将物体30引入。例如，可使用流体样本将物体30注入定量DIC设备100的输入端口。
一旦被引入，物体30就改变来自照明光源20的光并导致在z+Δz处的具有光分布ψ(x，y，z+Δz)的图像波阵面120。参考图15(a)、15(b)和15(c)，根据本发明的一个实施方式，波阵面传感器210被示为具有由物体导致的图像波阵面。图15(a)是根据本发明的一个实施方式的波阵面传感器210的部件的侧视图。波阵面传感器210包括具有沿着x轴的三个结构光圈300(a)、300(b)和300(c)的阵列的光圈层220。图15(b)是根据本发明的一个实施方式的图15(a)中的波阵面传感器210的部件的俯视图。图15(c)是根据本发明的一个实施方式的通过结构光圈300(c)的中心的图15(a)中的波阵面传感器210的部件的截面图。尽管示出了三个结构光圈300(a)、300(b)和300(c)，但可以使用任何数目的结构光圈。此外，可以使用任何类型的结构光圈(例如，四孔、单孔等)。
在图15(a)、15(b)和15(c)中，波阵面传感器210也包括具有表面230(a)的光探测器230和位于光探测器230和光圈层220之间的透明层240。透明层240具有厚度D。虽然所示的实例示出了包括光探测元件的二维阵列的光探测器230，可使用任何适合的数目或配置的光探测元件232。例如，可使用单个光探测元件232。
回到图14，波阵面传感器测量由物体30导致的波阵面的光分布ψ(x，y，z)(步骤610)。在对应于光探测器230的表面230(a)的光探测器的平面z处测量波阵面。
在图15(a)、15(b)和15(c)示出的所示实施方式中，由光探测器230的光探测元件232来接收通过光圈层220中的结构光圈300(a)、300(b)和300(c)的波阵面120。光探测器230可获取光分布的二维快照读数或者可使用光栅扫描设备140来扫描波阵面传感器以在单一时间得到二维读数。在其他实施方式中，光探测器230可通过OFM波阵面传感器的结构光圈300读取时变强度信息。在这种情况下，从时变信息的线扫描编译光分布。
回到图14，波阵面传感器或主计算机的处理器152分离光分布/投影(步骤612)。在图15(a)、15(b)和15(c)示出的所示实施方式中，处理器152将来自结构光圈300的特定的透光区232的光分布800(a)、800(b)和800(c)与从其他结构光圈300的透光区232投射的光分布相分离。例如，处理器152将和结构光圈300(a)相关的光分布800(a)与和结构光圈300(b)和300(c)相关的光分布800(b)和800(c)分离。光分布/投影的分离可用于将光探测器230的光探测元件232映射到结构光圈300的透光区。
可使用分离投影/分布800(a)、800(b)和800(c)的任何适合的方法。在一个实施方式中，可通过抑制来自穿过相邻结构光圈300(a)、300(b)和300(c)的波阵面120的相邻投影的串扰来执行分离。定量DIC设备100的处理器152确定在正交的x方向和y方向上的光分布800(a)、800(b)和800(c)的最大强度值820(a)、820(b)、820(c)和820(d)。处理器152然后确定读取最大强度值820(a)、820(b)和820(c)的光探测元件232.。处理器152可确定在读取最大强度值820(a)、820(b)、820(c)和820(d)的光探测元件232之间的光探测器230上的中点。处理器152可然后使用该中点将读取光分布的光探测元件与特定的结构光圈300相分离。可选地，在读取最大强度值的光探测元件232周围的光探测元件232的预定数目可限定与每个结构光圈300相关的光探测元件232。例如，在读取最大强度值的三个光探测元件内的所有光探测元件232可与来自特定的结构光圈300的光分布相关。
回到图14，处理器152也预测与结构光圈相关的投影的中心(步骤614)。可使用任何方法来预测中心。在一个实施方式中，处理器152可确定每个分离的投影/分布的中心是具有最高强度值的光探测元件。
接下来，处理器152确定x和y偏移(步骤616)。在物体被引入之前和之后，处理器152可确定在每个投影的x方向和y方向上的来自中心位置变化的偏差。在图15(a)、15(b)和15(c)中，处理器152确定在x方向上的在结构光圈300(a)处的偏差810(a)，在x方向上的在结构光圈300(b)处的偏差810(b)，及在x方向上的在结构光圈300(c)处的偏差810(c)。处理器152也确定在y方向上的在光圈300(c)处的偏差810(d)。尽管没有示出，处理器152也确定在y方向上的在光圈300(a)和300(b)处的偏差。在另一实施方式中，在物体被引入之前和之后，处理器152可确定来自每个投影的另一部分的位置改变的偏差。
回到图14，处理器152确定在两个正交方向上的相位梯度(步骤618)。处理器152使用式(2)和(3)基于在x方向和y方向上的偏差可确定在两个正交方向上的局部相位梯度。通常，一些实施方式的具有结构光圈300的波阵面传感器(例如，四孔光圈或单孔光圈传感器)可测量光场的空间相位梯度。数学上，一些实施方式的波阵面传感器测量：
Gx(x，y)＝kx(x，y)/k0≈(dφ(x，y)/dx)/k0               (6)
Gy(x，y)＝ky(x，y)/k0≈(dφ(x，y)/dy)/k0，及           (7)
A(x，y)，(8)
其中，Gx(x，y)是在x方向上的二维相位梯度，Gy(x，y)是在y方向上的二维相位梯度，及A(x，y)是所探测的波阵面的二维振幅。为了基于偏差来确定在两个正交方向上的相位梯度，处理器152可基于式(10)分别确定在每个光圈处的净波阵面梯度Gx(x，y)和Gy(x，y)：
G x ( x , y ) = 1 1 + ( D offset x ( x , y ) ) 2 , 及(10)
G y ( x , y ) = 1 1 + ( D offset y ( x , y ) ) 2
其中D是透明层(隔板)厚度，在x方向上的偏差是offsetx(x，y)，在y方向上的偏差是offsety(x，y)。
处理器152也测量图像波阵面120的振幅(步骤620)。处理器152通过对与每个结构光圈300相关的每个分离的投影/分布的所有强度值求和来测量振幅。使用振幅和相位梯度信息，定量DIC设备100具有足够的数据来重构在光探测器230的平面z处的图像波阵面。
定量DIC设备100通过使用展开方法适当地组合所测量的数据可数学地重构(展开)所探测的波阵面(步骤622)。一种展开方法由式(9)给出：
ψ measured ( x , y , z ) = A measured ( x , y , z ) exp ( ik 0 ( ∫ 0 x G x ( ( x , y = 0 ) dx + ∫ 0 y G y ( x = x , y ) dy ) ) . - - - ( 9 )
存在用于重构场分布的许多方法(展开)。适当的展开方法的一些实例包括仿射变换法、最小二乘法、Frankot Chellappa卷绕方法等。如果测量的信噪比(SNR)接近无穷大，展开方法应都返回相同的答案。基于存在于测量中的噪声的数量和类型，展开方法在其性能上可能会发生变化。
处理器152将在平面z处重构的波阵面传播到与物体30相交的一个或多个平面z+Δz(步骤624)。处理器152基于式(12)将具有分布ψ(x，y，z)的重构的波阵面传播到其他平面：ψ(x，y，z+Δz)＝f(ψ(x，y，z)，Δz)，其中φ(x，y，z+Δz)是在与物体30相交的平面z+Δz处的光分布。函数(f)在电磁理论中是众所周知的且被研究。例如，该函数f在Kraus，John Daniel，Fleisch，Daniel A.，Electromagnetics with Applications(5th Ed)，Chapters 4-16(1999)被描述。
处理器152可将重构的波阵面传播到在穿过物体30的不同深度处的任意数目的平面(z+Δz)。在一个实施方式中，物体30可具有沿着z轴的尺寸h且可位于光探测器230的表面230(a)附近。处理器152可穿过平面z+Δzk＝l到n传播重构的波阵面n次(例如，100、1000、2000次等)，其中Δzk＝Δzl+hk/n。在该情况下，重构的波阵面被传播到从表面230(a)(其中n＝1)开始并递增地增加深度hk/n的n深度。在其他实施方式中，特定的深度用于使物体30的区域成像。例如，处理器152可将重构的波阵面传播到在物体30的中部的平面。
处理器152生成二维和三维图像(626)。在一个实施方式中，处理器152基于重构的波阵面、强度分布、在x方向上的相位梯度信息、和/或在y方向上的相位梯度信息来生成二维图像。处理器152也可组合该二维图像以生成物体30或物体30的部分的三维图像。
在一些实施方式中，定量DIC设备100的输出设备(例如，打印机、显示器等)可输出各种形式的数据。例如，定量DIC设备100可输出二维局部强度图像图、在x方向上的二维相位梯度图像图、在y方向上的二维相位梯度图像图、二维重构图像、二维传播图像、和/或三维图像。定量DIC设备也可进一步分析二维波阵面数据。例如，定量DIC设备100可使用强度数据来分析物体30的生物特性。
可以对所述方法做出修改、增加或省略而不偏离本公开的范围。该方法可包括更多、更少或其他步骤。此外，可以任何适合的顺序执行步骤而不偏离本公开的范围。
一些实施方式的定量DIC设备100可用在诸如生物样本成像的各种应用中。图16(a)是根据本发明的一个实施方式的使用具有SAI波阵面传感器的定量DIC显微镜获取的海星胚胎的强度/振幅图像。图16(b)是根据本发明的一个实施方式的基于使用具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备获取的海星胚胎的在x方向上的相位梯度的图像。图16(c)是根据本发明的一个实施方式的基于使用具有SAI波阵面传感器的定量DIC设备获取的海星胚胎的在y方向上的相位梯度的图像。图16(d)、16(e)和16(f)示出了根据本发明的一个实施方式的当应用于16(a)、16(b)和16(c)的原始振幅、微分相位x和微分相位y数据时的一些展开算法。图16(d)是使用应用于分别在图16(a)、16(b)和16(c)中示出的原始振幅/强度、在x方向上的相位梯度和在y方向上的相位梯度的最小二乘展开方法重构的图像。图16(e)是使用应用于分别在图16(a)、16(b)和16(c)中示出的原始振幅/强度、在x方向上的相位梯度和在y方向上的相位梯度的Frankot Chellappa展开方法重构的图像。16(f)是使用应用于分别在图16(a)、16(b)和16(c)中示出的原始振幅/强度、在x方向上的相位梯度和在y方向上的相位梯度的仿射变换展开方法重构的图像。使用所计算(重构)的波阵面，我们则可以经由在第一章中概述的方法来执行基于计算的切片。
图17(a)是通过传统的透射显微镜获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的图像。图17(b)是通过传统的DIC显微镜获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的图像。17(c)是根据本发明的实施方式的通过显微镜系统中的定量DIC设备获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的强度图像。17(d)是根据本发明的实施方式的通过显微镜系统中的定量DIC设备获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的无伪像的x方向相位图像。17(e)是根据本发明的实施方式的通过显微镜系统中的定量DIC设备100获取的浸油的马铃薯淀粉存储颗粒的无伪影的y方向相位图像。
双折射物体例如图17(a)-17(e)中的马铃薯淀粉存储颗粒可改变在传统的DIC显微镜中的两个移位的场的偏振，以便图2中的两个文件的后续组合不再由式(1)来描述。这可在因而产生的传统DIC图像中产生马尔他十字形图案伪像。图17(b)示出了在马铃薯淀粉存储颗粒的传统DIC图像中的马尔他十字形图案伪像。
在一些实施方式中，定量DIC设备100使用非偏振光且对于图像处理不依赖于偏振。在这些实例中，定量DIC设备100可对双折射样本(例如，马铃薯淀粉存储颗粒)成像而没有伪像。图17(d)和17(e)示出了由显微镜系统中的定量DIC设备获取的双折射样本的图像。在这些图中，马铃薯淀粉存储颗粒，即，双折射样本的双折射图像没有伪像。此外，在图17(c)的强度图像的中心中的马铃薯淀粉颗粒的暗吸收斑没有在图17(d)和17(e)的相位图像中出现。这表明定量DIC设备100可将图像波阵面的强度变化与相位变化相分离。这比不能区分开吸收效应和相位变化且不能提供定量相位测量的传统的DIC设备是有利的。
在一个实施方式中，SAI波阵面传感器、Shack-Hartmann波阵面传感器、或OFM波阵面传感器可放置到相机系统中。将波阵面传感器放置到相机中的优势是，相机除了有关所投射的物体波阵面的强度信息外还可探测所投射的物体波阵面的相位梯度。
在一些实施方式中，波阵面传感器110/210可与宽带照明和/或单色照明一起使用。波阵面传感器110/210适用于单色光场分布，其中k在图像平面上的每个点处明确定义。然而，波阵面传感也可用于宽带光源，及在任意给定点处的k可为不同波向量的组合的情况下被使用。在这个方面，波阵面传感器110/210可与宽带光照明、具有混合的k的单色照明、及具有混合的k的宽带光照明一起使用。使用通过波阵面传感器110/210的宽带照明的实例可在Cui，Xiquan，Lew，Matthew，Yang，Changhuei，Quantitative differential interference contrast microscopy based onstructured-aperture interference，″Applied Physics Letters Vol.93(9)，091113(2008)中找到，为了所有目的，该文特此通过引用被全部并入。
在一个实施方式中，定量DIC设备100的SAI波阵面传感器中的衍射班大小和Shack-Hartmann波阵面传感器中的焦班大小可用于确定在任意给定的图像点处的波向量k的扩展。该实施方式中的定量DIC设备100可再现散射范围被绘出的图像。
在一个实施方式中，定量DIC设备100可确定波阵面传感器110/210的相位梯度响应的比例。当波阵面传感器110/210被适当的照明光源(例如，准直的He-Ne激光束)照亮时，定量DIC设备100测量干涉图案，所述照明光源有具有适当的特性(例如，632.8nm的波长、25mm的光束直径和4mw的功率)的光和具有入射角的范围。在x方向和y方向上的零阶光斑的总透射和偏差可使用诸如最小二乘二维高斯拟合的适合的方法来计算。零阶光斑的偏差和归一化相位梯度之间的关系可以近似地为线性的。定量DIC设备100估计表示零阶光斑的偏差和归一化相位梯度之间的近似线性关系的常数。
V.计算机设备
图18示出了根据本发明的实施方式的存在于在定量DIC设备100中使用的计算机设备中的子系统的框图。例如，主计算机150或波阵面传感器110/210可使用图18中的部件的任何适当的组合。
先前在图中描述的各种部件可使用一个或多个计算机设备来操作以促进本文描述的功能。图中的任何元件可使用任何适当数目的子系统以促进本文描述的功能。这样的子系统或部件的实例在图18中示出。图18中示出的子系统经由系统总线775互连。示出了另外的子系统，例如打印机774、键盘778、固定磁盘779(或其他包含计算机可读介质的存储器)、耦合到显示器适配器782的监视器776及其他部件。耦合到I/O控制器771的外围设备和输入/输出(I/O)设备可通过本领域中已知的任意数目的装置例如串行端口777连接到计算机系统。例如，串行端口777或外部接口781可用于将计算机装置连接到诸如因特网的广域网、鼠标输入设备或扫描仪。经由系统总线的互连允许中央处理器152与每个子系统进行通信并控制来自系统存储器772或固定磁盘779的指令的执行及子系统之间信息的交换。系统存储器772和/或固定磁盘779可包含计算机可读介质。这些元件中的任一个可存在于前面描述的特征中。根据本发明的实施方式的计算机可读介质可包含用于执行上述功能中的任一个的代码。
在一些实施方式，定量DIC设备100的输出设备(例如，打印机774)可输出各种形式的数据。例如，定量DIC设备100可输出二维局部强度图像图、在x方向上的二维相位梯度图像图、在y方向上的二维相位梯度图像图、二维重构图像、二维传播图像、和/或三维图像。定量DIC设备100也可进一步分析二维波阵面数据。例如，定量DIC设备100可使用强度数据来分析物体30的生物特性。
应该理解，如上所述的本发明可以用模块化或集成的方式使用计算机软件以控制逻辑的形式实现。基于本文提供的公开和教导，本领域普通技术人员将知道和认识到使用硬件和硬件与软件的组合实现本发明的其他方式和/或方法。
在本申请中描述的软件部件或功能的任一个可被实现为由处理器使用例如传统的或面向对象的技术利用任何适合的计算机语言例如Java、C++或Perl执行的软件代码。软件代码可存储为在计算机可读介质上的一系列指令或命令，所述计算机可读介质例如是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、诸如硬盘驱动器或软盘的磁性介质、或诸如CD-ROM的光学介质。任何这种计算机可读介质可存在于单个计算装置上或内，且可存在于系统或网络内的不同的计算装置上或内。
“a(一)”、“an(一)”或“the(这个)”的陈述被规定为意指“一个或多个”，除非明确指示相反的含义。
以上描述是例证性的而不是限制性的。在审阅本公开后，本公开的许多变型对本领域技术人员而言将变得明显。因此，本公开的范围不应参考上面的描述来确定，而应参考未决的权利要求及其全部范围或等同物来确定。
来自任何实施方式的一个或多个特征可与任何其他实施方式的一个或多个特征组合而不偏离本公开的范围。此外，可对任何实施方式作出修改、增加或省略而不偏离本公开的范围。根据特定的需要，任何实施方式可被合并或分离，而不偏离本公开的范围。
上文提到的所有专利、专利申请、公布物和描述为了所有目的通过引用被全部并入本文。没有一项被承认为现有技术。

Claims (19)

1.一种使用具有波阵面传感器的定量微分干涉差设备来计算物体的深度切片的方法，所述波阵面传感器具有一个或多个结构光圈、光探测器以及位于所述一个或多个结构光圈和所述光探测器之间的透明层，所述方法包括：
由所述光探测器通过所述一个或多个结构光圈接收光；
基于所接收的光来测量图像波阵面的振幅；
基于所接收的光来测量在所述图像波阵面的两个正交方向上的相位梯度；
由处理器使用所测量的振幅和相位梯度来重构所述图像波阵面；以及
由处理器将所重构的波阵面传播到在第一深度处与物体相交的第一平面。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括由处理器将所重构的波阵面传播到在第二深度处与所述物体相交的第二平面。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括基于在所述第一平面和所述第二平面处的所传播的波阵面来生成所述物体的一部分的三维图像。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
由处理器将所重构的波阵面传播到与所述物体相交的多个平行平面，所述平面实质上平行于所述光探测器的表面且在实质上穿过所述物体的尺寸延伸的深度处；以及
基于在所述第一平面和所述多个平面处的所传播的波阵面来生成所述物体的三维图像。
5.根据权利要求1所述的方法，基于在所述第一平面处的所传播的波阵面来生成所述物体的在所述第一深度处的二维图像。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述二维图像是所述物体的横截面图像。
7.根据权利要求1所述的方法，其中基于所接收的光来测量所述图像波阵面的振幅包括：
分离与每个结构光圈相关的所接收的光的强度数据；
通过将与每个结构光圈相关的所分离的强度数据求和来测量与每个结构光圈相关的局部振幅；以及
通过编译在每个结构光圈处测量的所述局部振幅来生成所述图像波阵面的振幅。
8.根据权利要求1所述的方法，其中基于所接收的光来测量在所述图像波阵面的两个正交方向上的相位梯度包括：
分离与每个结构光圈相关的所接收的光的强度数据；
在引入所述物体之前和之后，测量在每个结构光圈处接收的光在两个正交方向上的偏差；以及
基于所述偏差来测量在每个结构光圈处的在两个正交方向上的局部相位梯度；以及
通过编译在每个结构光圈处测量的局部相位梯度来生成在两个正交方向上的相位梯度。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括引入所述物体，所述物体改变来自一个或多个照明光源的光。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括使用在所述结构光圈的阵列的结构光圈内的微透镜将光聚焦到所述光探测器上的焦点。
11.根据权利要求1所述的方法，其中由所述光探测器通过所述一个或多个结构光圈接收光包括：
当所述物体穿过流体通道移动时，由所述光探测器生成与通过所述一个或多个结构光圈接收的光相关的时变数据；
编译所述时变数据以生成二维光分布。
12.一种波阵面传感器，包括：
光圈层，其具有一个或多个结构光圈；
光探测器，其被配置为基于通过所述结构光圈接收的光来测量波阵面的振幅，并分开测量在所述波阵面的两个正交方向上的相位梯度；以及
透明层，其在所述光圈层和所述光探测器之间。
13.根据权利要求12所述的波阵面传感器，其中所述光是非偏振的。
14.根据权利要求12所述的波阵面传感器，还包括在所述结构光圈的至少一个中的微透镜。
15.一种定量微分干涉差设备，包括：
波阵面传感器，其包括：
光圈层，其具有一个或多个结构光圈，
光探测器，其被配置为基于通过所述结构光圈接收的光来测量波阵面的振幅，并测量在所述波阵面的两个正交方向上的相位梯度，以及
透明层，其在所述光圈层和所述光探测器之间；以及
处理器，其通信地耦合到所述波阵面传感器，且被配置为使用所测量的振幅和相位梯度来重构所述波阵面。
16.根据权利要求15所述的定量微分干涉差设备，其中所述处理器还被配置为将所重构的波阵面传播到在第一深度处与物体相交的第一平面。
17.根据权利要求15所述的定量微分干涉差设备，还包括用于将所述波阵面转送到所述波阵面传感器的转送系统。
18.根据权利要求15所述的定量微分干涉差设备，还包括用于扫描所述波阵面传感器的光栅扫描设备。
19.根据权利要求15所述的定量微分干涉差设备，还包括用于提供光的一个或多个照明光源。
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