CN103189711B - 用于光侦测的仪器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及侦测仪器和方法，其使用部分剪切光学干涉仪器来侦测靶试样探针体积阵列相比于参考样品探针体积的阵列的光学性质。该仪器产生格式化探针波束，其含有部分剪切的波束对，该波束对被格式化为完全剪切探针波束对的阵列。靶试样探针体积和参考样品探针体积被适当地组织并暴露于完全剪切探针波束对的阵列。

Description

用于光侦测的仪器和方法

技术领域

本发明涉及用于侦测（interrogating）探针体积阵列的光学特性的仪器和方法。

背景技术

探针体积（probe volume）的折射率通常是复数，包含实部和虚部，这两者都取决于空间坐标。探针体积的折射率的复杂空间分布在这里被称作该探针体积的“光学性质”。

在许多应用中存在对侦测探针体积阵列的光学性质的需要，这些应用包括生物医学诊断学、基因组学、蛋白质组学、药物研发、DNA测序、光数据存储、材料科学、职业健康和安全、平民或者军队反恐、战地、电泳、分析色谱法、半导体加工、计量学、仿造、食品加工、法庭、法律实施、环境监测、显微术、质谱学、微流体动力学、和流式细胞术。在许多这些应用中，包括所关心材料的样品的探针体积（靶试样探针体积）的光学性质与包括参考材料的样品的探针体积（参考样品探针体积）的光学性质相比较。因此，便利的方法是，确定靶试样探针体积相对于一个或更多参考样品探针体积的比较光学性质。例如，一组第一类型的分子（第一靶试样）占据靶试样探针体积的一部分。液体（第三靶试样）中第二类型的分子组（第二靶试样）的溶液被传递到靶试样探针体积，然后冲掉。该仪器显示，通过侦测靶试样探针体积的光学性质在第一和第二类型的分子之间是否发生反应，其中如果通过结合第一类型分子，第二类型分子占据其部分，那么该光学性质可能变化。用于实行这个比较的已知仪器和方法通常涉及使用多次测量、多个独立的探针波束、用于扫描或改变探针波束位置的复杂的仪器、或者实现多次比较测量的其他相对复杂的方法。

发明内容

使用根据本发明的适当形式的探针波束，例如能够方便地使用单个源波束和单次测量来实行该比较。靶试样探针体积X和参考样品探针体积A和/或B可以平行地暴露于格式化探针波束。产生的结果是靶试样探针体积X的光学性质和参考样品探针体积A或B的光学性质的同步比较。但是，这是使用用于比较探针体积的光学性质的本发明的格式化探针波束的一个实例。在本发明的格式化探针波束中，单个光源波束可以由无源光学元件转换为多个完全剪切探针波束对中格式化的一对部分剪切探针波束。靶试样探针体积和参考样品探针体积被设置在暴露于多个完全剪切探针波束对的覆盖层（blanket）和已知的网格阵列中。在曝光之后，完全剪切波束对的多个波束重新合并，产生干涉图案，其显示网格阵列中所选择的探针体积的光学性质之间的关系。

根据本发明的格式化探针波束具有独特的特性，即，其含有部分剪切的波束对，该波束对被格式化为完全剪切的探针波束对的阵列。部分剪切探针波束被定义为包含两个波束，即，第一部分剪切探针波束和第二部分地剪切探针波束，其中，第一和第二波束部分地重叠。完全剪切探针波束被定义为包含作为同一部分剪切探针波束对的部分的两个波束，即，第一完全剪切探针波束和第二完全剪切探针波束，第一波束和第二波束横向间隔一定距离没有重叠。这里参考格式化探针波束通常意思是贯穿该仪器的光束，即，源波束，包含部分和完全剪切探针波束对的格式化波束、和检测区域中的组合波束。

为了限定本发明，格式化光束被定义为具有部分剪切。其允许形成具有部分重叠的剪切波束对和不重叠的多个剪切波束对的光束。

附图说明

当结合附图考虑时，可以更加理解本发明，其中：

图1是根据本发明第一实施例的示意图，其示出用于形成部分剪切格式化光学探针波束的光学元件；

图2是用图1的元件构造的仪器的透视图；

图3是格式化探针波束横过图2的仪器的分量的透视图，其示出第一偏振态的部分剪切探针波束，OE波束；

图4是格式化探针波束横过图2的仪器的分量的透视图，其示出第二偏振态的部分剪切探针波束，EO波束；

图5示出图3和4的格式化探针波束的分量的组合，其示出部分剪切探针波束对，即，OE波束和EO波束；

图6示意地示出根据可能的侦测阵列的一个实例的图5的光束被格式化为25个侦测元件阵列，该侦测元件特征在于完全剪切；

图7示出图6的一个侦测元件，其示出完全剪切探针波束对，即，子OE波束和子EO波束；

图8是在格式化探针波束的源区的侦测元件阵列的视图；

图9是在格式化探针波束的部分剪切区域的侦测元件阵列的视图；

图10是在格式化探针波束的合并区域的侦测元件阵列的视图；

图11是在格式化探针波束的检测区域的侦测元件阵列的视图；

图12是示出格式化探针波束的部分剪切区域中组织的靶试样探针体积和参考样品探针体积的可能选址的网格阵列的视图；

图13是类似于图12的视图，其示出替换的选址；

图14是单个侦测元件和靶试样的透视图，靶试样如图所示被放置在部分地占据侦测元件的靶试样探针体积的靶式样载体上；

图15是类似于图14的视图，其中第二靶试样被增加到第一靶试样；

图16是类似于图2的仪器的透视图，其中增设了相位调制器；

图17和18是可替换的格式化探针波束仪器的透视图，其中，格式化探针波束只在一个方向上部分地剪切。

图19和20是可替换的格式化探针波束仪器的透视图，其中，探针波束只在一个方向上部分地剪切。

图21和22是可替换的格式化探针波束仪器的透视图，其中，探针波束只在一个方向上部分地剪切。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个实施例的用于产生部分剪切格式化探针波束的部件的示意设置。格式化探针波束表示为11，并且在图例中，简单地示出格式化探针波束通过各个元件12到18的方向。应该理解，区块12到18表示所述的光学元件，并且不是说明这些分量的尺寸或物理性质。同时，元件可以彼此间隔开，但是优选地如下面更详细说明的，在集成光学组件中邻近。在图1的仪器中，由于探针波束被格式化，所以其经历分光以及分开波束的位移。因此，线11只指示探针波束通过图1中各个元件的总方向。

该仪器可以操作，其中，11是如图所示的竖直定向或者水平定向。可替换地，11可以是竖直和水平的两者，其中，波束在源区和检测区域之间彼此反射或折射。

探针波束的初始来源（未示出）可以是近似平面光束源，其具有低的空间相干性和低的时间相干性。其可以是LED、激光、或者适合于侦测至少一个靶试样探针体积的任何其他光源。

图1中的元件12是波束偏振器，其用于使源波束偏振为偏振波束，其能够被分为两个分量。为了方便起见，这些分量被标明为波束E（非常波束）和波束O（正常波束）。图1中示意地示出的光学元件优选地是对源波束而光学透明的，并且通过传输而操作。然而，使用适当设置的折射或反射光学元件，或者用折射和反射元件的组合，可以获得等同的功能。

元件13是双折射晶体（BC），其双折射轴相对于方向11倾斜。元件13的效果是，横向位移波束E的传播方向，而维持其优选地平行于方向11，并且保持波束O的传播方向未受影响的。该位移（图1中未示出）在这里被称作剪切。剪切应该表示为，对象轴（subject axis）从同轴到离轴的移动，其中，同轴优选地与离轴平行，但是相对于其位移。位移的量取决于元件13的形状、倾斜角、和双折射装置的光学性质。双折射装置的特性和操作众所周知并且不需要在这里阐明。

在图1中和在后面附图中，双折射装置可以被称作“BC”或者双折射晶体。然而，其能够是双折射玻璃或者聚合物或者适当结构的材料。已知许多双折射装置。根据本发明，任何适合的双折射装置可以用于格式化探针波束。只需要产生E波束相对于O波束的剪切。（本领域技术人员应当理解，在本说明书中E波束和O波束是可互换的，只要进行一致互换。）

然后，探针波束横过第二BC 14。第二BC具有位于平面上的光轴，该平面平行于方向11并且与第一BC的光轴所在的平面正交。BC 14的功能是以结合BC 13描述的相同的方式相对于E波束剪切O波束。最好的是，由BC 13和14产生的剪切是相同的，以便在两者横向方向上产生均匀偏移。（如果11的方向是Z方向，那么BC 13可以在X方向上偏移波束E，而BC 14在Y方向上偏移波束O。）然而，偏移可以是不同的。

同样，尽管优选的是BC 13和14具有位于平面中的光轴，其中这些平面平行于方向11并且彼此正交，以便在X和Y方向上发生位移，与平行于方向11或者彼此正交的偏离也可以结果形成有用的装置。

该探针波束现在位于部分剪切格式区域中并且含有部分剪切且部分重叠的光束对和完全剪切和没有重叠的光束对。这个状态中的探针波束在这里被称作具有部分剪切格式。

格式化探针波束的部分剪切波束对和完全剪切波束对传播通过靶试样探针体积和参考样品探针体积，并且能够与靶试样载体相交。该载体可以具有许多形式，简单地包括虚平面，那就是说，靶试样和参考样品可以位于空间中。更典型地，靶试样和参考样品会被安装在透明板上。分析的材料可以被包含在样品容器中，诸如玻璃或者塑料安瓿（ampoule，小的玻璃容器）中。

在传播通过靶试样探针体积和参考样品探针体积以后，格式化探针波束的部分剪切波束对和完全剪切波束对合并，从而产生干涉图案，其指示靶试样探针体积和参考样品探针体积的光学性质。这通过使格式化波束受到对其格式化的光学装置的相反功能而方便地获得。因此，该波束横过BC 15和16，其每个的光轴都被适当定向。

合并的波束现在是干涉图案的阵列，其在穿过偏振器17之后由检测器阵列18“读取”。检测器阵列可以是任何形式的成像装置，其功能为显示和/或记录干涉图案。

像图1中所述的元件的设置在图2中的透视图中示出，其为部分剪切侦测仪器的一个实施例。其包含：第一偏振器、下文称作“剪切装置”的装置、下文称作“合并装置”的装置、第二偏振器和检测装置，其中，剪切装置通过振幅分隔将源波束部分地剪切为在第一和第二正交偏振态中的部分重叠和相对平行的探针波束对，这个波束对在下文分别被称为“OE波束”和“EO波束”，该合并装置将所述OE波束和EO波束大体上合并为合并波束，第二偏振器的偏振轴大体上平行于第一偏振器的偏振轴。

如剪切装置的一个实施例，其包含第一剪切模块，其包含两个大体上一致的双折射晶体（BC），两者的光轴成相对于其进出面具有大于零的角度，并且其主截面以大体上90°相交。

如合并装置的一个实施例，其包含：

第二剪切模块，其优选地与第一剪切模块配置相同，但是在任何情况下提供等同功能，其相对于第一剪切模块大体上旋转180°。

下列表格列出用于图2所示的实施例的设计参数的实例。

表格1

为了清楚起见，图2的部分剪切干涉仪器的格式化探针波束的两个分量分别在图3和4中示出，并且包含源波束、通过BC和偏振器的E波束和O波束、部分剪切探针波束对、OE波束和EO波束、和合并波束。同样为了清楚起见，在图5中示出OE波束和EO波束之间的部分重叠。

如图2所示的源波束被剪切装置部分剪切为OE波束和EO波束，这些波束部分重叠并且传播通过剪切装置和合并装置中间的体积。然后，这两个波束被合并装置合并为合并波束。当合并且穿过第二偏振器时，两个波束干涉并产生干涉图案，其显示剪切装置和合并装置之间的体积的光学性质。干涉图案由检测装置的阵列检测。

在图2-4所示的实施例中，OE波束和EO波束相对于源波束分别沿着由第二BC和第一BC引入的剪切的方向移位。因为由第一BC和第二BC引入的剪切的方向是垂直的，所以剪切装置引入“有效剪切”，其是由任一BC引入的剪切的尺寸ν2，并且沿着以相对于任一剪切的方向近似45°的方向。

图2-4中的源波束的横截面被示为正方形。然而，任何适合形状的光束都可以用于本发明。通常光束横截面会是四边形。然而，其可以是圆形或者椭圆形，或者另一种有用的形状。

在一个实施例中，如图6中所示，源波束能够被认为是等同于具有正方形横截面的子源波束的阵列，子源波束的横截面的尺寸在剪切方向匹配剪切的尺寸，并且其由剪切装置剪切为完全剪切的探针波束对的阵列，这些波束对在下文中被称作子OE波束和子EO波束，然后其被合并装置合并为子合并波束阵列。每个完全剪切探针波束表示用于靶试样探针体积或者参考样品探针体积的位点。

图6示出5x5子源波束的阵列，其会容纳25个完全剪切探针波束对。应当清楚，在仪器的格式化区段中，每个完全剪切探针体积对都由相应的完全剪切探针波束对表示。该阵列可以具有任何适合的尺寸。认识到，波束的格式化区域不具有固有分割，5x5阵列主要是选择的问题。其反映了专注到每个侦测位点的波束的区域和仪器设计用于在单个侦测步骤或者步骤序列的单个侦测步骤中侦测的侦测位点的数目。图6中，25个完全剪切探针体积对的尺寸和形状是相同的。然而，该阵列可以含有探针体积对的任何设置，其中每个具有相同或者不同的形状和/或尺寸。

如从图中显而易见，一个部分剪切探针波束相对于另一个的剪切的尺寸会确定重叠的面积相对于波束的总面积的比率。该比率可以根据侦测应用广泛变化。然而，在根据本发明的典型方法和仪器中，面积比会优选大于25%。

图7示出与阵列隔离的一个子源波束。显然，相应的完全剪切探针波束对，即子OE波束和子EO波束，其没有完全重叠，并且其传播通过剪切装置和合并装置之间的体积的两个独立区域。在图2中所示的实施例中，本发明事实上使得部分剪切干涉仪器起到用于隔离的子源波束的完全剪切干涉仪器的作用，因此作为用于子源波束的阵列的完全剪切干涉仪器阵列。

在图2所示的实施例中，本发明专用单个检测装置，用于检测从每个完全剪切干涉仪器输出的干扰，并且事实上使得部分剪切侦测仪器起到完全剪切侦测仪器的阵列的功能，其侦测该体积的所述两个独立区域的任一个的阵列与另一个区域的阵列相比的光学性质。换句话说，两个独立区域的任意一个能够是靶试样探针体积或者参考样品探针体积。

图8示出子源波束的阵列的绘图。该子源波束的阵列相应于仪器中完全剪切探针波束对的阵列。图9示出格式化探针波束中的子OE波束和子EO波束的完全剪切对的阵列的绘图。图10示出子合并波束的阵列的绘图。图11示出检测装置的阵列的绘图。

本发明提供了包含单个剪切装置和单个合并装置的单个部分剪切干涉仪器，而且其提供了完全剪切干涉仪器的阵列，其干扰输出通过剪切装置的阵列检测，以与参考样品探针体积的阵列相比，侦测靶试样探针体积的阵列。

因为OE波束和EO波束之间的部分重叠，一些子OE波束与一些子EO波束重叠。例如，如图9中能够看出，子波束OE（3,3）与子波束EO（2,2）重叠。因此，落入OE和EO波束之间的重叠的靶试样探针体积能够与两个参考样品探针体积相比较，以被侦测。

本发明的这个特征能够通过图12说明，其中，图12分别示出靶试样探针体积的阵列和参考样品探针体积的阵列Ti和Ri的实例的绘图，其中i=1到15。靶试样探针体积T8能够与参考样品探针体积R1相比较而被侦测，其中图9的EO（2,2）和OE（2,2）子波束分别地传播通过靶试样探针体积和参考样品探针体积，并且靶试样探针体积T8也能够与参考样品探针体积R8相比较而被侦测，其中图9的OE（3,3）和EO（3,3）子波束分别传播通过靶试样探针体积和参考样品探针体积。这两对波束被合并为图10的子合并波束C（2,2）和C（3,3），其分别由图11的两个检测装置D（2,2）和D（3,3）检测。

类似地，落入OE和EO波束之间的重叠的参考样品探针体积能够被用作用于两个独立的靶试样探针体积的参考。例如，通过图9和图12，参考样品探针体积R7能够被用作用于侦测靶试样的探针体积T7的参考，T7具有分别传播通过靶试样探针体积和参考样品探针体积的图9的OE（2,3）和EO（2,3）子波束，并且用作用于侦测靶试样探针体积T14的参考，T14具有分别传播通过靶试样探针体积和参考样品探针体积的图9的EO（3,4）和OE（3,4）子波束。

应该注意，传播通过图12的靶试样探针体积T8的波束是图9的EO（2,2）和OE（2,2）子波束，并且传播通过图12的参考样品探针体积R1的波束是图9的EO（1,1）和OE（2,2）子波束，那就是说，子OE波束或者子EO波束能够传播通过靶试样探针体积和参考样品探针体积。

图12中所示的实例中的一些靶试样探针能够只与一个参考样品探针体积相比较而被侦测。例如，图12的靶试样探针体积T4只能够与图12的参考样品探针体积R4相比较而侦测，参考样品探针体积R4分别具有图9的OE（4,1）和EO（4,1）子波束。

类似地，图12中所示的实例中的一些参考样品探针体积能够被用作只用于一个靶试样探针体积的参考。例如，图12的参考样品探针体积R13只能够作为用于侦测图12的靶试样探针体积T13的参考，靶试样探针体积T13分别具有图9的EO（3,5）和OE（3,5）子波束。

通过如这里所述的适当设计侦测仪器，可与参考样品探针体积的阵列的至少一个或两个参考样品探针体积相比较，侦测阵列的全部靶试样探针体积。

图13示出靶试样探针体积阵列和参考样品探针体积阵列的另一个实例的绘图。该实例示出靶试样探针体积组如何能够对准到任一剪切方向，该剪切方向例如沿着第二晶体的剪切方向的T2和T3和沿着第一晶体的剪切方向的T5、T7和T9。该实例也示出如何能够侦测沿着垂直于任一剪切方向的方向的尺寸大于剪切尺寸的靶试样探针体积，例如T1，其是沿着第二晶体的剪切方向的剪切尺寸的两倍，和T4，其为沿着第一晶体的剪切方向的剪切尺寸的两倍。因此，两个或更多检测装置可以专用于检测传播通过较大的靶试样探针体积和参考样品探针体积的子OE波束和子EO波束之间的干扰输出。

该实例也示出，只要存在能够分别用于侦测的参考样品探针体积，即R5、R6、R11和R12，则靶试样探针体积可以怎样连续，而不在其间留下样品参考探针体积，该样品参考探针体积即T6、T7、T8和T9。

单个源波束是优选相对平面的，从而确保传播通过靶试样探针体积和参考样品探针体积的子波束没有彼此交叉，因此没有彼此干涉。通常，该源波束优选具有低的空间相干性和低的时间相干性，从而防止寄生干扰噪声。然而，其能够具有高空间相干性和高时间相干性，诸如例如，激光束。

该源波束可以需要或者不需要根据部分剪切干涉仪器是否基于偏振而被相对偏振。一些源是本征偏振的，然而一些其它的不是偏振的，例如太阳或者LED，并且在这种情况下，如果源波束需要偏振，那么偏振器需要被包括在部分剪切干涉仪器中。因此，源波束和偏振器应该被认为是等同于偏振源波束，反之亦然。

靶试样探针体积与参考样品探针体积相比较的光学性质的定量分析能够通过称为“位相提取”的技术获得。这种技术需要，用相位调制器或者移位器对剪切波束之间的相对相位进行调制或移位。其能够在仪器中的第一偏振器和第二偏振器之间的任何地方实行，如果源波束偏振并且不需要第一偏振器，那么能够在仪器中的源和第二偏振器之间的任何地方实行。例如，图16示出相位调制器，其在图2的实施例中被增设到第一偏振器和第一双折射晶体之间。

相位调整器或者调制器的有用实施例取决于源波束的剪切是否基于偏振。它们包括：液晶元件、光电（电子-光学）元件、热视神经元件、光测弹性元件、卷绕在压电圆柱体周围的单模式偏振维持（PM）纤维，该压电圆柱体在剪切和合并装置之间旋转波片，或者光电地或热地调谐或机械倾斜该部分剪切干涉仪器的双折射晶体。

相对相位移位或者调制也使得侦测仪器的信噪比能够被按比例增强到相位移位测量的数目的平方根。

除了图2所示的干涉仪器的实施例，其他剪切装置、合并装置和检测装置也可以用于本发明。例如，图17和18示出另一种形式的部分剪切仪器。在图17的仪器中，使用只具有单个部分剪切的部分剪切模块，并且如图18中所示，波束在单个横向方向上位移。这产生如前所述的格式化探针波束，但是具有单个剪切。图17的仪器具有三个双折射装置。用于产生部分剪切探针波束对的波束位移和用于合并部分剪切探针波束对的补充位移只需要两个双折射装置。然而，会观察到，如果两个双折射晶体具有相同类型，那么用于图17中格式化探针波束的两个分量的光路是不同的。本文中的“光路”是波束的行程长度乘以波束传播通过的体积的折射率。如果这个仪器与低相干性源一起使用，那么需要增设补偿装置，从而补偿光路长度的差异。图17的仪器中的补偿装置是第三BC，借此通过仪器的光路较短的波束“看到”比增设到较长光路长度的光路长的额外光路。因此，两个波束的光路是大体均衡的。

图19和20是替换的部分剪切仪器的透视图，其中，格式化探针波束只在一个方向上被部分地剪切。然而，第一和第二BC具有不同类型，即一个是正的且另一个是负的，反之亦然。通过适当设计两个晶体，横向剪切能够大体上匹配，并且格式化探针波束的两个分量的光路能够是大体上均衡的。

图21和22是另一个替换的部分剪切仪器的透视图，其中，格式化探针波束只在一个方向上部分剪切。在这个情形中，第一和第二双折射晶体具有相同类型，即两者都是正的或者负的，并且优选地由相同晶片制成。诸如半波片或者法拉第旋转器的偏振转动元件被插在两个晶体之间，以便每个部分剪切波束的偏振方向都被旋转90度。因此，离开第一晶体的正常波束会进入第二晶体，作为异常波束，并且离开第一晶体的异常波束会进入第二晶体，作为正常波束。因此，横向剪切能够大体上匹配，并且格式化探针波束的两个分量的光路能够是大体上均衡的。

在图2所示的实施例中，剪切装置和合并装置在光路长度方面固有地彼此补偿。应该注意，独立的光路长度补偿装置能够增设到侦测仪器，并且能够被放置在仪器中的第一偏振器和第二偏振器之间的任何地方，或者如果源波束偏振并且不需要第一偏振器，那么其能够被放置在源和第二偏振器之间，只要其大体上补偿部分剪切干涉装置即可。如果激光束被用作源波束，那么不需要补偿侦测仪器。

如果在合并装置之后需要第二偏振器，那么第二偏振器的偏振轴优选是与第一偏振器的偏振轴平行（如图2所示）或者正交，或者如果干涉仪器需要一个第二偏振器，那么第二偏振器的偏振轴与偏振源波束的偏振方向平行或者正交。其也能够沿着任何其他方向，只要偏振器使EO和OE波束或者子波束的两个正交偏振极化。

如图2的仪器中，使用相同双折射晶体的那些实施例的优点是，其能够由相同晶片制成，以便其光轴定向和厚度能够最佳匹配，从而确保剪切波束大体上空间重新排列以及格式化探针波束的两个分量的光路的大体上均衡。

通常，该双折射晶体能够具有正的或者副的双折射并且是单轴或者双轴的。

本领域众所周知，检测装置是使用任何光电效应的装置，从而将电磁幅射能转换为电信号。检测装置一般性地指示单个检测装置或者一群检测装置，只要一群检测装置专用于与相同参考样品探针体积相比侦测相同靶试样探针体积。

可替换地，如果观察者能够识别给定图案，该检测装置可以仅仅目测。

靶试样探针体积和/或参考样品探针体积的光学性质能够相比较，从而产生相对测量。例如，一组第一类型的分子（第一靶试样）占据靶试样探针体积的一部分（图14）。液体（第三靶试样）中第二类型的分子组（第二靶试样）的溶液被传递到靶试样探针体积，然后冲掉。该仪器通过比较没有变化的参考样品探针体积的光学性质与已经变化的靶试样探针体积的光学性质（如果第二类型的分子已经通过结合第一类型的分子占据靶试样探针体积的一部分），而显示在两个类型分子之间是否已经发生了反应，（图15）。

在一些应用中，可以如图14和15中所示，优选将靶试样设置在载体上，以便例如其能够存储在一起，一起装载到仪器，并一起从仪器卸载。在其它应用中，可以优选地将靶试样直接设置在仪器的一部分上。

在一些应用中，可以优选从侦测仪器移去靶试样并且用其他靶试样替代它们。在其它应用中，可以便于以固定方式（permanent fashion）集成一些靶试样和侦测仪器。

本发明的优点是，其侦测靶试样探针体积的阵列与参考样品探针体积的阵列相比的光学性质，其中参考样品探针体积阵列能够是已知的和/或独立于试样探针体积而控制。这在几个应用中特别有用。例如，在涉及化学反应的应用中，所关心的一些分子能够占据靶试样探针体积和一些参考样品探针体积。例如，已知对某些所关心事件惰性的控制分子能够占据参考样品探针体积。

本发明的另一个优点是，其使得在集成电子中通称“共模抑制”的光学等效。因为靶试样探针体积和参考样品探针体积之间的靠近，两个体积都看到的环境扰动是大体上相同的，并且因此不引起相位位移噪声，该噪声会由仪器另外显示。

本发明的另一个优点是，能够侦测的靶试样探针体积和参考样品探针体积的尺寸的范围。本发明能够与参考样品探针体积相比较侦测靶试样探针体积，参考样品探针体积沿着光的传播方向跨度能够从几个纳米到几个毫米，这取决于设计和应用。当与用瞬逝场侦测靶试样探针体积的仪器和方法相比时，这是显著优点。这通常按照源波束的波长被限制到靶试样探针体积的非常窄的范围。

本发明的另一个优点是，其可以使用具有低的空间相干性和低的时间相干性的源波束。因此，其相对地不受到高相干性源波束通常生成的不利影响，其中高相干性源波束诸如激光束。这些包括斑点、光衍射图形、及其他虚假光干涉效应，这些效应例如来自通常损坏光学侦测的性能的不想要的反射。

本发明的另一个优点是，单个相位移位器或者调制器足够总体移位或者调制完全剪切干涉仪器的阵列的完全剪切波束对的波束之间的相对相位。

总之，本发明的方法和仪器设计用于侦测靶试样探针体积与参考样品探针体积的光学性质相比的光学性质。该方法涉及分开和剪切光源波束，从而产生格式化光束，其包括第一和第二部分剪切探针波束，同时将至少一个靶试样探针体积和至少一个参考样品探针体积暴露于格式化光束，合并第一和第二光束分量，并检测由合并光束分量产生的干涉图案。

该仪器包含剪切装置、合并装置和光检测器，其中，剪切装置用于分开并剪切光源波束，从而产生包含第一和第二部分剪切探针波束的格式化光束，合并装置用于重新合并第一和第二光束分量从而产生合并光束，并且光检测器用于检测合并光束中的干涉图案。以上定义意图用于表达第一和第二光束之间的关系，其中，两个光束的至少一个相对于另一个剪切（位移）。在图2的设置中，位移了两个分开的光束。然而，应该理解，在本发明有用的实施例中，只需要以产生具有部分重叠的两个光束的方式，使一个光束相对于另一个光束位移。

总结详细说明，显而易见，本领域技术人员可以对本发明进行各种额外的修改。基本依靠已经开发的本发明的原理及其等同物的从本说明书的具体教导的全部改变都被认为落入如上所述的本发明和权利要求的保护范围内。

Claims (19)

1.一种用于侦测靶试样探针体积的方法，包括：

分开并剪切光源波束，以产生包含第一探针波束和第二探针波束的格式化光束，其中，所述第一探针波束和所述第二探针波束部分地重叠；

将至少一个靶试样探针体积和至少一个参考样品探针体积暴露于所述格式化光束；

合并所述第一探针波束和所述第二探针波束，以产生合并光束；和

检测所述合并光束中的干涉图案。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述格式化光束中的所述第一探针波束和所述第二探针波束是平行的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，剪切所述第一探针波束和所述第二探针波束两者。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述光源波束被偏振，以产生偏振光束。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用至少一个双折射装置来分开并剪切所述偏振光束。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述格式化光束具有探针体积对的网格阵列。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述网格阵列包含探针体积对，其中，所述体积对中的一个是所述第一探针波束的一部分而所述体积对中的另一个是所述第二探针波束的一部分。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，使用至少一个双折射装置来合并所述第一探针波束和所述第二探针波束。

9.一种用于侦测靶试样探针体积的仪器，包括：

剪切装置，用于分开并剪切光源波束，以产生包含第一探针波束和第二探针波束的格式化光束，其中，所述第一探针波束和所述第二探针波束部分地重叠；

合并装置，用于合并所述第一探针波束和所述第二探针波束，以产生合并光束；

检测装置，用于检测所述合并光束中的干涉图案；以及

样品载体，放置成与所述格式化光束相交，其中所述样品载体包括成对的靶试样和参考样品的阵列，并且所述检测装置包括检测装置的阵列，各个检测装置的阵列对应于所述样品载体上的所述成对的靶试样和参考样品的阵列。

10.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述格式化光束中的所述第一探针波束和所述第二探针波束是平行的。

11.根据权利要求9所述的仪器，其中，在两个方向上剪切所述光源波束。

12.根据权利要求9所述的仪器，进一步包括光束偏振器，所述光束偏振器用于将所述源波束偏振成偏振波束，所述偏振波束能够被分为两个分量。

13.根据权利要求11所述的仪器，其中，所述剪切装置包括第一双折射装置和第二双折射装置，所述第一双折射装置用于在第一横向方向上剪切所述光源波束以产生部分剪切探针波束对，并且所述第二双折射装置用于在大致垂直于所述第一横向方向的横向方向上剪切所述部分剪切探针波束对。

14.根据权利要求13所述的仪器，其中，所述合并装置包括第一双折射装置和第二双折射装置，所述第一双折射装置用于在第一横向方向上剪切所述格式化光束以产生部分剪切探针波束对，并且所述第二双折射装置用于在大致垂直于所述第一横向方向的横向方向上剪切所述部分剪切探针波束对。

15.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述光束源具有低的空间相干性和低的时间相干性。

16.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述光束源是LED或者激光器。

17.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述第一探针波束行进的光路长度大体上等于所述第二探针波束的光路长度。

18.根据权利要求9所述的仪器，进一步包括补偿装置，所述补偿装置用于补偿或调节两个所述部分剪切探针波束的相对光路长度。

19.根据权利要求9所述的仪器，进一步包括相位调制器。