CN108779976A - 使用光子射流进行白光干涉的表面和表面下层结构的性质 - Google Patents

使用光子射流进行白光干涉的表面和表面下层结构的性质 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是一种用于确定物体的界面(100)的四维性质的设备，所述设备包括光源(102)。所述设备包括：用于在形成界面(100)的成像中要利用的光子射流的装置(104)，用于执行界面(100)以及它们(104、106)的组合的大视场干涉成像的装置(105a、105b)，用于使所述光靠近界面(100)并将光引导至界面的装置(108)，并且所述装置(108)创建图像。所述设备包括：用于执行界面(100)的相移干涉成像的装置，用于从界面(100)接收经由例如微球(108)调制光的成像装置(110)，用于通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息，以及处理器单元(112)，用于基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定界面(100)的四维性质。所述设备也能够包括用于使用偏振光执行测量。

Description

使用光子射流进行白光干涉的表面和表面下层结构的性质
技术领域
低相干干涉测量(LCI)、特别是扫描白光干涉测量(SWLI)是一种广泛使用的3D表面表征方法，其特征在于纵向上的亚纳米分辨率。通过将SWLI与光射流结构相结合，实现3D超分辨率成像。
背景技术
SWLI的光源是卤素灯或白光发光二极管(LED)，以科勒几何法成像到物镜光瞳中。照明场和孔径受到控制。光源可以是频闪光源，以冻结振荡运动，并且发射光谱可以是可电子控制的光谱。源波长是可见波长或红外波长(1至2μm或10μm)。
用于SWLI的区域成像传感器相机(CCD，CMOS)具有从640×480像素到4千万以上像素。相机的选择涉及场大小和像素数目以及采集速度、响应线性度、量子阱深度、和数字化分辨率。
取决于样品的反射率，参考表面/反射镜(迈克尔逊型干涉仪配置)是镀铝玻璃、碳化硅(SiC)、或裸玻璃。米劳(Mirau)型干涉仪配置中的反射镜是透明基准板上、直径略大于视场的小金属涂层。LCI设备的光学系统采用具有远心成像的无限远共轭光学系统，放大倍数由物镜和管透镜的复合作用决定。测量原理需要设计并调整物镜，以使零组速度光程差位置与最佳焦点位置相同。迈克尔逊物镜通过色散平衡的立方体分束器达成这一目标。在米劳显微镜中，分束器和基准板应在光学厚度上匹配以使色散最小化。横向分辨率能够例如以下列方式来确定。阿贝衍射极限(dx,y)是结构中最小的横向周期性，其能够以其图像来区分：
dx,y＝1.22λ/2NA (1)
其中λ是光的中心波长，NA是透镜的数值孔径。当利用可见光(λ～400-750nm)和NA＝1.4的常用物镜成像时，横向分辨率约为200nm。
衍射极限是因远场中倏逝波的损失所致。这些倏逝波携带物体的高空间频率亚波长信息并且随距离呈指数衰减。
轴向图像分辨率(dz)比横向分辨率大2至3倍，约440nm。
dz＝2nλ/NA2 (2)
其中n是光传播的介质的折射率。
任何以2倍或更高倍地克服分辨率限制的显微镜技术都被视为提供超分辨率。
扫描电子显微镜(SEM)能够例如通过同时使用几个电子枪或检测器来提供3D纳米分辨率图像。这些设备并未提供超分辨率。
低相干干涉——即，SWLI——克服轴向分辨率极限，并且允许沿纵向具有更高的分辨率(亚纳米)。
近场技术提供横向和纵向的超分辨率。近场光学显微镜是基于测量近场探针附近的散射光，这种散射光由近场探针与样本之间的近场光学相互作用产生。使用已知形状的近场探针尖端来达成局部高分辨率，例如，接触式原子力显微镜(AFM)和非接触式扫描隧道显微镜(STM)的尖端。近场探针能够被聚焦光照射以产生散射光。
存在基于纳米光子射流的非接触技术允许在x-y平面上具有50nm的横向分辨率，但轴向分辨率(z方向)要差得多。
光子纳米射流是一种高强度的非倏逝窄光束，其能够在从照射的直径大于λ的无损介电微柱或微球的阴影侧表面出现之后传播比波长λ更长的距离。纳米射流的最小束宽能够小于经典衍射极限，实际上对于微球而言小到～λ/3。
美国专利申请2010/0245816A1描述了通过将(例如，由聚苯乙烯制成的)介电微球保持在拉曼显微镜中的样品表面上或正上方来执行的近场拉曼成像。照射的激光束被微球聚焦以产生与样品的近场相互作用。收集并分析偏移波长处的拉曼散射光。微球可以被安装在AFM悬臂或某种其他扫描探针显微镜上，其提供反馈以使其相对于样品表面保持就位。替选地，可以通过照射激光束的光镊效应将微球保持在样品表面上。这种设备的缺点是，纵向分辨率很大程度上取决于所使用的拉曼显微镜的共焦设计。对于真正的共焦设计而言(其包含完全可调的共焦针孔的孔径)，深度分辨率约为1至2μm的数量级。
扫描近场光学显微镜的探针产生的电磁场特征最大限度上局限于接近纳米级的“点”(微型孔径和尖端、荧光纳米粒子和微粒、介电质以及金属边角)。然而，跨较大区域分布的探测场同样能够提供超分辨率。为此，应利用对应于小尺寸样品的高空间频率来丰富场谱。作为这种近场探针的示例，美国专利2009/0276923A1提出并理论研究了端面具有尖锐线性边缘和随机分布纳米粒子特征的光纤模型。这类探针在机械上比常规探针更加稳健——通过使用两步化学蚀刻和聚焦离子束铣削的组合来制造，并且它们的制造无需纳米级精度。与常规探针相比，光学探针更全面地分布并利用入射光，而使光往返于样品的光波导产生边缘损失。数值建模表明，即使存在大量测量噪音，这些探针也能够解析显著小于探针尺寸的物体，并且在某些情况下，其性能可能比常规纳米探针更佳。这种设备的一个缺点在于其逐点进行测量。
专利申请文件WO2013/043818A1描述了一种用于对表面成像的系统和方法，包括纳米定位装置，该纳米定位装置包括悬臂，光学透明性微球透镜耦合到悬臂的远端。光学部件能够通过微球透镜将光聚焦于至少一部分表面上，并且聚焦光——如果有的话——通过微球透镜从表面反射回来。与纳米定位装置通信耦合的控制单元可以被配置成将微球透镜定位在表面上方的预定距离处。这种设备的一个缺点是衍射受限的纵向分辨率。
在远场显微镜中，由于最终图像中的离焦光，成像对比度通常很低且不符合要求。为了增强对比度，可以在成像期间优化显微镜照明条件和成像软件设置。与远场显微镜相比，共焦显微镜技术通常具有更好的光学对比度和改善的分辨率；这是通过在检测器之前放置小针孔来消除最终图像中的离焦光。当将激光共焦显微镜与微球相结合时，如果使用紧密定位的球体，则在共焦成像中出现多个同心环。这些环起因于相干激光照射下粒子或球体与衬底之间的近场相互作用。相比之下，非相干的光源在远场显微镜下不会太明显地出现这种问题。这些环会降低成像质量，这可能对共焦成像中能够解析的最小特征产生实际限制。
现有技术的实施例受赝像影响，这些赝像可能被错误地理解为图像中的物体。对于孤立且已知的粒子而言，仍然能够通过粒子看到物体的真实图像。在经常使用非相干光源的远场纳米显微系统中，赝像问题不太明显。
现有技术将偏振描述为增强对比度的一种方式，特别是在生物成像中。存在许多关于远场显微镜偏振的研究，还有几项关于成像静态和移动样品这两者的偏振SWLI的研究。存在一些关于偏振用于近场显微镜的研究，但它从未用于3D超分辨率成像。现有技术公开文件尚未提供纳米尺度的3D校准。
发明内容
本发明的目的在于实现用于确定表面形貌和/或表面下层结构的改进的3D超分辨率成像的系统和方法。本发明达成上述目的的解决方案是一种用于确定物体的界面的四维性质的设备，所述设备包括光源。所述设备包括：用于形成在界面的成像中要利用的光子射流的装置，用于执行界面以及它们的组合的大视场干涉成像的装置，用于使所述光靠近界面并将光引导至界面的装置，并且所述装置创建图像，并且所述设备包括：用于执行界面的相移干涉成像的装置，用于从界面接收经由微球和近场修正结构中的至少一个调制的光的成像装置，用于通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息，以及处理器单元，用于基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定界面的四维性质。
本发明的目的还在于一种确定物体的界面的四维性质的方法，在所述方法中，产生光。在所述方法中，形成在界面的成像中要利用的光子射流，执行界面以及它们的组合的大视场干涉成像，使所述光靠近界面并将光引导至界面，以及创建图像，并且执行界面的相移干涉成像，从界面接收经由微球和近场修正结构中的至少一个调制的光，用于通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息，以及基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定界面的四维性质。
本发明基于在界面的成像中利用的光子射流，以及基于执行界面以及它们的组合的大视场干涉成像。使光靠近界面并引导至界面，并且创建图像。本发明是进一步基于界面的相移干涉成像，以及基于从界面接收的光，该光经由微球调制以通过组合光干涉与光子射流来形成超分辨率图像信息。
本发明的益处在于，能够实现以无标记、非接触、大视场且快速的方式确定物体界面的四维性质。
附图说明
图1示出根据本发明的第一示例性实施例。
图2示出根据本发明的第二示例性实施例。
图3示出根据本发明的优选实施例。
图4示出根据本发明成像的表面的示例。
具体实施方式
根据本发明，通过将z轴的光干涉与xy平面的光子射流相结合，能够实现非接触式大视场的3D超分辨率成像。光干涉能够例如称为白光干涉。z轴成像使用真实图形，将光射入近场修正结构——例如球体，并且通过球体提取从界面反射的光。在xy平面成像中，将光射入球体，通过球体并且从球体外部提取光，并且使用界面的虚拟图像。
在图1、图2和图3中示出根据本发明的示例性优选实施例，其中用于确定物体的界面100的四维性质的设备包括光源102。四维意指3D(xyz维度)和时间域。界面100能够是物体的表面或物体的表面下层，即所谓的埋置面(buried surface)。设备包括用于形成界面100的成像中要利用的光子射流的装置104，以及用于执行界面100以及它们104、106的组合的大视场干涉成像的装置105a、105b。在一个实施例中，设备能够包括用于执行图像拼接的装置120，用来分别或共同地拼接上层结构与下层结构两者，以具有更大的视场。用于形成光子射流的装置104能够包括埋层面微球、微柱、微透镜(例如菲涅耳透镜)、栅格、立方体、超材料和负折射率材料，以及能够使用已知目标来提取所谓的点扩散函数时的指定已知形状或未指定形状的任何近场修正结构。此外，用于形成光子射流的装置104能够例如包括具有光子射流的聚合物或聚合物类材料。光子射流能够例如是纳米射流或等效物。在一个实施例中，设备也能够包括用于使用偏振光执行测量的装置。
根据本发明的设备包括用于使所述光靠近界面100并将光引导至界面以及创建图像的装置108，以及用于执行界面100的相移干涉成像的装置106。装置108优选为微球108，其能够例如是部分或完全嵌入基本上很薄的透明主体材料116的高折射率微球118。在一个实施例中，用于移动物体的装置106能够用作用于执行表面100的相移干涉成像的装置106。用于移动物体的装置106能够例如是玻璃微量移液管(micropipette)114，其附接到微球108以移动微球108并且附接到另一尖端以局部地致动物体的表面，该物体例如是细胞。在另一个实施例中，用于执行表面100的相移干涉成像的装置106能够包括频闪照明的利用。
根据本发明的设备进一步包括：用于从界面100接收经由微球108调制的光的成像装置110，以通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息，以及处理器单元112，用于基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定界面100的四维性质。成像装置110能够例如是CCD相机。在图4中示出根据本发明成像的表面100的示例。
在一个实施例中，设备能够包括用于基于改进的纳米尺概念来执行相同视场校准的装置122，其中已向最下阶台板添加栅格以允许同时进行z轴和xy轴的校准。装置122能够例如是例如显微镜玻片上的Langmuir Blodgett膜的叠层。栅格能够例如用短波长光刻来创建。
在另一个实施例中，设备能够包括用于形成相干函数的装置124，以达成最小的主波瓣宽度和充分的侧波瓣减小，以便消除对光子射流层的影响并且实现最大分辨率。装置124能够例如通过使用具有不同相干长度的光源、通过使用粗糙盘破坏光源的相干性或者通过以适当方式组合几个光源来实现。
在又一个实施例中，设备能够包括用于管理偏振以创建相移、瞬变成像和增强图像对比度中的至少一个的装置126。装置126能够例如通过在光源前方放置偏振器并且在大面积检测器前方放置分析器或者通过使用像素化偏振器来实现。
在根据本发明的一些实施例中，设备能够包括用于应对由光子射流的有限大小形状所产生的表面形貌失真的装置。根据反褶积法，类似于AFM成像中用于校准有限尖端大小的那些方法，可以将上述这些装置整合。
下面描述根据本发明的不同实施例的更详细的特征。结合LCI(SWLI)与光子纳米射流技术，以实现横向和纵向分辨率为十分之几纳米的3D超分辨率。这就会提供比现有技术更等边(对称)且更小的体素。该设备允许静止或者可以移动的表面和埋置结构两者的无标记非接触成像。全视场技术提供相当大区域内的所有点的快速同步视图。使用纳米尺方法，能够实现图像尺寸的可追溯性。该设备——即，根据本发明的设备——能够是手持式。
在图1中示出的一个实施例中，使用具有米劳干涉物镜105b的SWLI设置。通过使用微球、微柱、微透镜、栅格、立方体、超材料或负折射率材料或者指定已知形状——球形、半球形或其他形状——的纳米粒子来产生纳米射流，能够实现纳米射流。此外，能够使用湿润层作为润滑剂。纳米射流粒子能够被自由放置在样品上或者部分或全部嵌入聚合物材料中，例如，通过使用自组技术，形成单层或多层结构。在后一种情况下，应当注意层的厚度。
在图2中所示的另一个实施例中，使用林尼克或迈克尔逊配置105a，其允许使用不同的常规物镜，并且在使用聚合物作为嵌埋材料的情况下还允许层厚度补偿。此外，还允许表面下层成像，即埋置结构的成像。
在显微镜中，这些实施例在扫描期间需要控制微球的定位。解决这个问题的两种方法是：(1)微球随附接到微球的细玻璃微量移液管移动，(2)高折射率微球(Ti02或BaTi03)能够部分或完全嵌入厚度类似于标准盖玻片的透明主体材料(例如，PMMA、PDMS)，其薄度足以使微透镜或近场修正结构直接插入常规显微镜物镜与样品之间的间隙内。微球的优选大小例如为10微米，材料的折射率例如为1.6，并且设备中使用的物镜放大倍数例如为50倍。
根据本发明的实施例能够例如用于以下应用：
I本发明能够用于药物开发。本发明有助于高通量筛选。本发明有助于开发用于癌症治疗临床的个性化鸡尾酒疗法。本发明是对载药给药设备进行溶散测试的物理方式。利用本发明的超分辨技术，能够精确地测量给药设备的腐蚀。这意味着，无需进行化学溶散测试，而这种溶散测试可能较慢并且可能需要更多物质来进行测试。而且，能够将同样的方法用于任何类型的纳米化学类方法，其中向表面添加纳米粒子，或者主动或被动地构建或移除它们。
II本发明能够用于对超声增强电纺——一种制备载药的纳米纤维的方法——产生的纤维和结构进行测试。这些纤维能够例如用于控制其直径以允许控制释放度的纤维结构。这样的纤维例如能够与周围葡萄糖水平反应并且根据需要释放胰岛素。
在现有技术中，对这些纳米尺度结构进行成像的唯一方式是复杂又缓慢的AFM或SEM。
III本发明能够快速获取大小低于100纳米的纳米粒子的图像。这类纳米粒子能够给予现有失效药物成分第二次机会。在生产这些纳米粒子时能够看到它们对质量保证而言十分重要。使用SEM或AFM会因其过慢而无法完成这一点。
IV根据本发明，能够在纳米分辨率下以无标记的方式提供超表面和表面下层生物成像的工具。根据现有技术，使用染料成像以及无标记AFM成像会遭受严峻的问题。
V根据本发明，能够提供用于安全应用的读出设备，其中能够使用嵌入纳米点作为保证真实性的一种方式。
虽然已参照附图和说明书提出本发明，但本发明不限于此，因为本发明在权利要求允许的范围内可根据各种应用作出多种变化。

Claims (20)

1.一种用于确定物体的界面(100)的四维性质的设备，所述设备包括光源(102)，
其特征在于，所述设备包括：用于形成在所述界面(100)的成像中要利用的光子射流的装置(104)，用于执行所述界面(100)以及它们(104、106)的组合的大视场干涉成像的装置(105a、105b)，用于使所述光靠近所述界面(100)并将所述光引导至所述界面的装置(108)并且所述装置(108)创建图像，并且所述设备包括：用于执行所述界面(100)的相移干涉成像的装置(106)，用于从所述界面(100)接收经由微球(108)和近场修正结构中的至少一个调制的光的成像装置(110)，用于通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息，以及处理器单元(112)，用于基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定所述界面(100)的四维性质。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述界面(100)是所述物体的表面。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述界面(100)是所述物体的表面下层。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于移动所述物体的装置(106)，作为用于执行表面(100)的相移干涉成像的装置(106)。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，用于执行表面(100)的相移干涉成像的装置(106)包括频闪照明的利用。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于执行图像拼接的装置(120)，以拼接上层结构与下层结构中的至少一个，以具有大视场。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于基于纳米尺概念来执行相同视场校准的装置(122)，所述纳米尺概念通过向最下阶台板添加栅格以允许同时进行z轴和xy轴的校准。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于形成相干函数的装置(124)，以达成以充分侧波瓣减小为条件的最小主波瓣宽度，以便消除对光子射流层的影响并且实现最大分辨率。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于管理偏振以创建相移、瞬变成像和增强图像对比度中的至少一个的装置(126)。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于应对由光子射流的有限大小形状所产生的表面形貌失真的装置。
11.一种确定物体的界面(100)的四维性质的方法，在所述方法中，产生光，其特征在于，在所述方法中，形成在所述界面(100)的成像中要利用的光子射流，执行所述界面(100)以及它们(104、106)的组合的大视场干涉成像，使所述光靠近界面(100)并将所述光引导至所述界面以及创建图像，并且执行所述界面(100)的相移干涉成像，从所述界面(100)接收经由微球(108)和近场修正结构中的至少一个调制的光，用于通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息，以及基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定所述界面(100)的四维性质。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述界面(100)是所述物体的表面。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述界面(100)是所述物体的表面下层。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述方法中，移动所述物体，作为用于执行表面(100)的相移干涉成像的装置(106)。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述方法中，执行表面(100)的相移干涉成像包括频闪照明的利用。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述方法中，执行图像拼接，以拼接上层结构与下层结构中的至少一个，以具有大视场。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述方法中，基于纳米尺概念来执行相同视场校准，所述纳米尺概念通过向最下阶台板添加栅格以允许同时进行z轴和xy轴的校准。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述方法中，形成相干函数，以达成以最大侧波瓣减小为条件的充分主波瓣宽度，以便消除对光子射流层的影响并且实现最大分辨率。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述方法中，管理偏振以创建相移、瞬变成像和增强图像对比度中的至少一个。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述方法中，应对由光子射流的有限大小形状所产生的表面形貌失真。
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