[发明专利]具有深度鉴别的光学再现的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于产生光学截面图像的方法和装置。 

背景技术

本发明适用于对空间扩展物体(spatially extended object)的三维、逐层扫描，主要应用于显微术，但不限于这个领域。为了产生物体的三维图像或映射，通常使用光学层析(optical sectioning)的技术。所谓的光学截面是包含一定范围深度的信息的图像。因此，用于产生光学截面图像的光学系统对焦平面内的这些物体细节执行选择性成像，然而焦平面外的物体细节在光学截面图像中被抑制。 

通过记录位于不同聚焦位置的一系列光学截面图像，能够逐步地扫描三维物体。因此，能够分析物体的三维表示(three-dimensionalrepresentation)或它的形貌。在下面，术语“物体”和“样本”被可互换地使用。尤其在显微术，研究的物体经常被称为“样本”。 

本发明允许以特别简单的方式产生光学截面图像，并且能够用于例如生物、医学或材料科学中对物体的分析。 

产生光学截面图像的第一种方法之一是Minsky的共焦显微镜[1]。这里，通过设置共焦针孔来抑制对焦平面外的细节的成像。 

用于产生光学截面图像的另一种方法是结构照明(structuredillumination)，例如，如Wilson等人在[2]所描述的那样。这里，例如光栅的结构被投影到将被成像的样本中。这样又产生对样本内的光分布的调制。例如，如[2]中所示，调制深度在焦平面中具有其最大值，并且在这种意义上标记焦平面。在结构照明中，第一步是对照明光进行调制，然后记录投影结构的不同位置(相位跳跃(phasestep))，最后根据记录的数据计算光学截面图像。 

为了这个目的，提出了几种装置。在Wilson等人的专利[3]中，光栅置于与样本共轭的平面中，并且垂直于光轴移动。在Gerstner等人的不同设计[4][5]中，平行板被插入到光路中并倾斜，从而横向地移动被投影到样本中的照明结构。对于透明或半透明的样品，投影到样本中，而对于不透明的表面结构，投影到样本上。另一解决方案由Neil等人提出[6]。这里，通过干涉在样本内直接产生照明结构。 

所有的方法[2-6]具有这样的性质：它们需要记录至少三个独立的图像。所有这些方法具有这样的共同之处：由于需要快速而准确地设置机械元件，所以在结构的定位和投影期间，伪像和不准确度可能会出现。例如，关于伪像及其补偿的细节可以在[7]中找到。用于实施该方法的不同方案根据用于对照明结构的位置执行改变的装置(相位设置)而不同。特别地，提出有不需要移动部件的装置，因此这种装置允许对相位跳跃的固定对准(alignment)和非常好的再现。 

在US专利5381236[11]中，描述了用于对三维物体测距的光学传感器。这里，周期性结构被投影到物体上，其中能够使照明结构颠倒(invert)，这对应于180度的相移。这里提出的方法也是基于按照两步的对照明结构的改变，但与[11]相比，该方法具有下述的不同：在[11]中，照明结构的各元件需要精确地与检测器(CCD像素)的各元件对准。这是很强的限制，理由如下：在放大方面，光学装置将需要非常准确以实现照明图案(illumination pattern)与检测器的匹配。另外，这两个结构彼此对准将需要非常准确并具有子像素精度。可能最重要的限制是因为这样的事实：即使光学图像中小的畸变(例如，桶形畸变或枕形畸变)也会导致无法在整个视场以子像素水平匹配照明图案的元件与检测器的元件。这一装置将需要高度校正并良好调节的光学器件，这对于广泛的、耐用的应用而言是障碍。对于提出的方法，与[11]相反，由于不需要照明图案和检测器的精确匹配，所以可以根据类型和图案尺寸自由地选择照明图案。这允许调节光学系统的深度鉴别(depth discrimination)，例如产生的光学截面的厚度(在共焦显微镜系统中，这对应于共焦针孔的直径的调节)。根据本发明，能够容易地实现这一点，而根据现有技术的状态，用[11]中的设计不可能实现这一点。因此，能够避免[11]的特征缺点。不需要移动部件的装置能够避免由于位置不准确而引起的缺点，并且也没有在[11]中被公开。 

发明内容