CN116615633A - 用于构建目标物的三维轮廓的宽带轮廓仪系统及方法 - Google Patents

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Abstract

三维轮廓仪包括宽带辐射源(110,10,10',10”)。干涉式量测系统(100,90)接收辐射并包括第一分光器(114,14,14',14”)和第二分光器(123,23,23',23”)、移动式时间延迟诱导反射器(116,16,16',16”)和固定式反射器(118,18,18',18”)。干涉式量测系统(100,90)利用第一分光器(114,14,14',14”)创建时间延迟光学样本辐射源和光学参考入射辐射源。静止的样本容器接收光学样本入射辐射。参考平面(140,40,40')接收光学参考入射辐射。检测器(170,70,70',70”)接收来自反射的或散射的光学样本辐射和反射的或散射的光学参考辐射的干涉信号。处理器(80,80',80”)提取参考平面(140,40,40')和样本(150,50,50')之间的光程差，并重建样本的三维形貌。

Description

用于构建目标物的三维轮廓的宽带轮廓仪系统及方法
技术领域
本发明提供了一种非侵入式、非接触式和无标签(label-free)的设备和方法，以获取物体的三维轮廓，在一个实施例中，物体可以是半透明的微型物体(例如，活细胞)。
背景技术
干涉测量术(Interferometry)是一种被广泛使用以测量目标样本各种特性的技术。干涉仪使用干涉原理，即光或其他电磁波相互叠加；所得的干涉被分析以提取样本特性。在干涉仪中，光源(source light)被分成两条光路，一条光路指向样本，另一条光路指向参考组件。反射光或散射光被合并并发送到检测器。干涉条纹提供了关于样本光和参考光之间的光程差的信息，该信息可以与诸如样本的表面特征之类的特性相关。
虽然干涉测量法可用于各种技术学科，但在分析生物样本时，其使用情况可能受到限制。生物样本，例如半透明的活细胞，可能经常浸入液体中，需要通过这种液体进行测量/成像。由于液体或多层样本的存在，常规干涉仪可能无法求出样本和参考臂之间的光程差。
其他技术可用于决定物体的三维特性。然而，扫描电子显微镜(scanningelectron microscopy)等技术需要耗时且昂贵的样本制备，并且在真空环境中进行。其他技术，如细胞染色，会杀死样本，因此不能用于观察如细胞分裂(cell division)等实时细胞功能。
因此，本领域需要改进的干涉仪和方法，其能够以非破坏性的方式有效地测量样本(包括生物样本)的多层轮廓，且几乎不需要样本制备。本发明解决了这一需要。
发明内容
本发明能够提供多层样本的三维轮廓，例如浸没在液体中的生物样本。本发明通过在光源光路(source arm)中使用延时光(time-delayed light)来实现这一点。以这种方式，物镜或样本的振动和运动被消除，并且活体样本及其周围的流体将不会受到运动的影响。
在一个方面，本发明提供了一种用于重建样本形貌的光学系统，在一个实施例中，样本可以是半透明的生物微样本。系统包括宽带辐射源和，可选地，第一透镜系统，其中第一透镜系统与辐射源通信并输出准直辐射光束。干涉式量测系统被配置为接收准直辐射光束，并且包括至少第一分光器、移动式时间延迟诱导反射器和固定式反射器。干涉式量测系统利用第一分光器创建时间延迟的光学样本入射辐射源和光学参考入射辐射源。静止的样本容器接收光学样本入射辐射。参考平面接收光学参考入射辐射。检测器接收来自光学样本反射的或散射的辐射和光学参考反射或散射的辐射的干涉信号。处理器提取参考平面和样本之间的光程差，并重建样本的三维形貌。
附图说明
图1A-1B示意性地描绘了根据第一实施例的光学系统和光学系统的概述；
图2是根据另一实施例的光学系统；
图3是根据另一实施例的光学系统；
图4是由图1的系统产生的关于信号峰值的曲线图；
图5是从图4的曲线图中提取的关于峰值强度信息的描述。
图6是由图1的光学系统产生的红细胞(red blood cell)图像
图7A-7D示出了可以使用本发明的光学系统观察/检查的多种样本的多个图像。
具体实施方式
详细参考附图，图1A示意性地描绘了根据一实施例的光学系统100的主要部件。在一个方面，本发明通过在光学系统的样本测量路径中使用延时光，以补偿由待测量样本内的液体所引起的焦距增加。光学系统100可用于重建三维样本的形貌；在一个实施例中，这可以是半透明的微样本。
系统100包括电磁辐射源110，其可以是例如光、UV光、红外光等。分光器114将光导向可移动式反射器116，其引入了时间延迟，以及固定式反射器118。延时光入射到样本150上，在一个实施例中，样本150可以是包括液体的静止样本。来自固定式反射器的光入射到参考平面140上。具有样本和参考反射光的两个信息的干涉图像进入检测器170，并且可以被建模为：
I＝I(x，y)+c*f(x，y，z)f(x、y，z-dz)cos(φ+kdz)
图1B示出了根据实施例的光学系统90的更详细描述。系统90使用宽带电磁辐射源10。在一个方面，宽带电磁辐射源10可以是发射连续光谱光的宽带光源。此光可以是白光，其例如来自白光LED或卤素光源，或者其可以使用电磁辐射的其他光谱区域，例如紫外光或红外光。光进入选择性设置的透镜12，例如准直透镜，以产生准直的入射光13。
准直光13进入第一分光器14，此分光器向固定式/静止式反射镜18透射一半的光，并反射一半的光向移动式反射器16。通过在垂直于反射器表面的方向上的运动，移动式反射器引起时间延迟。在一个方面，移动式反射器16可以是压电镜16。压电反射镜16在反射镜控制器20的指示下将受控的时间延迟分量引入至反射光束17中。
相比之下，被固定式反射器18反射的光19不包括时间延迟。被固定式反射器和移动式反射器反射的两束光，产生共轴重叠的相干相关图像。这些反射光束在通过光学透镜21之后被第一分光器14导引向第二分光器23。
在第二分光器23中，光被透射/反射成光束30(光学样本光束)和光束35(光学参考光束)。这些光束中的每一个都穿透对应的物镜32和39。光学样本光束入射到位于固定平台(platform)/台(stage)60上的样本50上，而光学参考光束入射到参考平面40上。参考平面40可以是位于物镜39的焦平面处的部分反射板。
应注意的是，入射到样本上的光足以通过断层扫描技术(tomographictechnique)对样本的整个区域进行成像，其中光入射于在样本的不同厚度处。因此，在厚度Z处的整个x-y平面图像将从样本反射/散射的光所撷取。然而，尽管在图1B的系统中没有使用，也可以产生更聚焦的光束，以在样本表面上光栅式方式扫描。样本放置在样本平台60(其用于浸没在液体中的生物样本)上，样本平台60可以包括防水的样本固定器，例如培养皿(culture plate)。控制器55能够精确地定位样本平台60以确保光学对准。
光被样本50反射/散射，并在第二分光器23中与被参考平面40反射/散射的光合并，以产生干涉光信号67，此干涉光信号通过选择性设置的透镜65而被引导至检测器70。检测器可以是一个或多个电荷耦合器件(charge-coupled devices,CCD)、照相机或任何其他已知的检测器(例如，当光源是UV或IR时，是UV或红外探测器)。为了创建全三维图像，使用断层扫描技术，对样本在其连续的厚度处进行成像。如本文所用，术语“断层扫描”被广泛用于表示：通过入射电磁源辐射(例如，光、红外光或UV光)，以在样本的z方向(即，垂直于入射源)上的多个截面进行的任何类型的成像。
为了对样本的整个厚度进行成像，在不同的入射光深度(z方向)处的x-y平面的连续图像被撷取。通过对移动式反射器16重新定位使其处于在z方向上的不同位置处(即，垂直于入射光的方向)，而使光能够入射在不同的厚度处。
处理器80提取参考平面和样本之间的光程差，并重建在每个厚度处所拍摄的图像；由于光的低相干性(因使用宽带光源)，只有相对较薄的深度才能产生干涉信号。将整个样本厚度上的所有x-y图像合并，并通过断层图像重建，以重建样本的三维形貌。在每个像素中的光的相位和强度被确定。
光条纹表示了样本和参考板之间的相位差；通过数值计算定位信号位置，样本表面与参考平面之间的光程差将被提取，断层相位和强度信息可被逐层地提取，最后可重建三维细胞形貌。
反射图像可以用3D反射轮廓f(x，y，z)来表示。具有样本和参考反射光的两个信息的干涉图像可以建模为：
I＝I(x，y)+c*f(x，y，z)f(x、y、z-dz)cos(φ+kdz)
其中第一项是背景图像(其在扫描过程中不变)，第二项是通过低相干干涉调制的图像。当延迟被扫描时，图像随三维反射率的自相关而变化。
如果图像以步长为四分之一波长位相延迟(quarter wave step delay)的方式被撷取，则可以获得f(x，y，z-dz)。四分之一波长位相延迟是通过移动压电控制的反射镜来实现的。
I1(x，y)＝I+c*f0*f(x，y，z)*cos[φ(x，z)]φ′(z)＝0(0°)
I2(x，y)＝I-c*f0*f(x，x，z-λ/4)*sin[φ(x，y)]＝π/2(90°)
I3(x，y)＝I-c*f0*f(x，y，z-2λ/4)*cos[φ(x，y)]＝π(180°)
I4(x，y)＝I+c*f0*f(x，y，z-3λ/4)*sin[φ(x，y)]＝3π/2(270°)
则
(x，y，z)＝tan-1[(I4(x，x)-I2(x，y))/(I1(x、y)-I3(x、y))]。这里假设f(x，y，z)在一波长位相延迟内不变。
由于四分之一波长位相延迟引起的强度变化可以表示为图像上显示的条纹。该图像由检测器70捕获。图4中示出了每个像素的强度变化。
对于在x-y平面中的图像，每个像素处的辐照度被记录。每个像素的最佳条纹定位位置(the best fringe localization position)由图像的一系列预处理(pre-processing)、处理(processing)和后处理(post-processing)而决定。在预处理阶段，图像滤波算法(image filtering algorithms)可被应用，以最小化色散不平衡、相位变化和系统振动对系统的影响。根据样本的性质可应用图像增强算法(Image enhancementalgorithms)。上述算法得益于轴向扫描中的高分辨率和横向扫描中的“超分辨率(over-resolution)”。
在处理阶段，应用快速包络和峰值检测算法(fast envelope and peakdetection algorithm)来决定表面和可能的多层特性。然后，通过频域分析(frequencydomain analysis)、相位变化检测(phase change detection)和时域滤波(time domainfiltering)等各种方法，针对样本特性分析单个条纹定位位置。此过程通过统一计算架构(Compute Unified Device Architecture,CUDA)而加速，从而压缩了处理时间。图5中示出了经处理的图像，其示出了在噪声上扩大的信号波峰。在稍后阶段，由上述技术生成的点云，通过诸如分群和分割的各种方法来分析，其中每个点是诸如图5所示的信号峰值。
分群算法(clustering algorithms)是非监督式机器学习的一种形式。根据多个数据点之间的学习相似性，以将数据划分为多个子群。集群中的每个数据点与该集群中的其他数据点更相似，同属于不同集群中的数据点比较。分割(Segmentation)是将具有一个或多个共同特征的子集/分段中的点分组。数据点之间的相似性高度依赖于被分析的特定样本，因此学习可以考虑样本的类型(例如，生物样本、无机样本、半导体器件等)。
可以选择基于密度的分群算法(density-based clustering algorithm)进行分群。当有许多集中在一起的点(例如，细胞特征，例如细胞核)被没有特征的区域(例如主要基于流体的原生质区域)包围时，可以使用基于密度的算法。基于密度的基於密度的分群方式(density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)，可用于有效地减少来自数据的噪声。也可以使用基于DBSCAN方法的其他算法。在后处理阶段，对点云进行处理，并将分群和分割信息一起处理，以呈现准确的三维形貌。提供各种工具用于表面检查、粗糙度测量和可视化。产生的三维形貌的一个例子是图6的红细胞图像。
图2中描绘了光学系统的另一实施例。在图2的实施例中，与图1B的组件基本相似的组件用相同的附图标记表示。在图2的实施例中，来自辐射源10′的辐射进入准直透镜12′，然后进入分光器14′。来自样本和参考平面的反射/散射光合并，在进入检测器70′之前穿透远心透镜72。
图3中描绘了光学系统的一实施例。在图3的实施例中，与图1B的组件基本相似的组件用相同的附图标记表示。在图3的系统中，辐射入射到样本的相反侧。此外，偏振器74和76被使用，以使偏振光进入检测器70”。偏振光的使用增强了对比度，从而提高了生成的三维图像的质量。当样本是诸如水的液体中的生物样本时，偏振光的使用减少了来自水面的不想要的反射。
产业适用性
本发明可用于观察三维细胞结构，例如细胞核或其他细胞器。通常，如果不同的蛋白质具有不同的折射率，则可以观察到结构。这样的生物样本应该是半透明或透明的，以获得三维成像。仅需要少量的样本准备，样本可能是观察细胞活动(如细胞分裂)的活样本。应用包括病理学、癌症检测和研究、观察细胞样本的拓扑变化。
由于该技术不需要大量的样本准备，而且是非破坏性的，因此可用于结构的非破坏性评估，包括裂纹检测和其他缺陷。它还可以作为半导体器件生产等领域的终端检查工具。
图7A-7D示出了为了质量控制或其他目的可以观察/检查的各种样本的多个图像。图7A是钞票上的墨水的图像，其可以显示在打印过程中是否存在任何打印缺陷。图7B是人的头发的图像。图7C是示出用于设备检查的本发明的线传感器的图像。图7D显示了使用本发明的喷雾涂层的检查，其可用于确定涂层均匀性。虽然图像以黑白再现，但应理解，本系统可用于产生彩色图像。
对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在不偏离本文的发明概念的情况下，除了已经描述的那些之外，还可以进行许多修改。因此，除了本公开的精神之外，本发明的主题不受限制。此外，在解释本公开时，所有术语应以与上下文一致的尽可能广泛的方式进行解释。特别是，术语“包含(includes)”、“包含(including)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应被解释为以非排他方式指代元素、组件或步骤，表示引用的元素、组件和步骤可能存在，或被使用，或与未明确引用的其他元素、组件或者步骤相结合。

Claims (10)

1.一种用于重建样本的三维形貌的光学系统，其特征在于，所述系统包括：
宽带辐射源；
干涉式量测系统，其被配置为从所述宽带辐射源接收所述辐射，其中所述干涉式量测系统包括分光器、移动式时间延迟诱导反射器(moving time delay-inducingreflector)和固定式反射器，所述干涉式量测系统利用所述第一分光器创建时间延迟的光学样本入射辐射源(time-delayed optical sample incident radiation source)和光学参考入射辐射源(optical reference incident radiation source)；
静止的样本容器，用于接收光学样本入射辐射；
参考平面，用于接收光学参考入射辐射；
检测器，被配置为接收从光学样本反射的或散射的辐射和光学参考反射的或散射的辐射产生的干涉信号；
处理器，用于提取所述参考平面和所述样本之间的光路差并重建所述样本的三维形貌。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，其中所述重建包括提取所述样本的多个层的断层扫描的相位和强度。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，其中所述可移动式反射器包括压电反射镜。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括第一偏振器和第二偏振器，所述第一偏振器被定位成产生偏振光学样本入射辐射源和偏振光学参考入射辐射源，所述第二偏振器被定位为将偏振辐射引导到所述检测器。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，还包括准直透镜，其定位在所述宽带电磁辐射源和所述第一分光器之间。
6.一种用于重建样本的三维轮廓的方法，其特征在于，所述方法包括：
将宽带辐射引导到干涉仪，所述干涉仪包括至少一个分光器、固定式反射器和移动式反射器，以产生时间延迟的光学样本入射辐射和光学参考入射辐射；
将所述光学样本入射辐射引导到静止样本，并将所述光学参考入射辐射引导至参考平面；
合并反射的或散射的光学样本辐射和反射的或散射的光学参考辐射，并将合并的辐射引导到检测器；
从辐射条纹中提取光路差，其中所述辐射条纹指示有所述样本和参考平面之间的相位差；和
通过依序对所述样本的断层成像(tomographic imaging)，基于所述光程差重建所述样本的三维形貌。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其中通过将所述移动式反射器重新定位到不同位置以执行所述样本的依序成像，使得所述时间延迟的光学样本入射辐射入射于所述样本的不同厚度处。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括决定在每一个像素处的辐照度并决定每一个像素的最佳条纹定位位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其中每一个像素的所述最佳条纹定位包括过滤图像、生成点云(point cloud)以及处理所述点云，以创建所述样本的所述三维形貌。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述样本浸入液体中。
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