[发明专利]用于希耳伯特相位成像的系统和方法

说明书

本申请是2006年3月24日递交的申请号为200680009723.1，发明名称为“用于希耳伯特相位成像的系统和方法”的分案申请。

背景技术

光学显微技术是一种在生物学和医药学中常用的研究方法。众多的生物学样品(包括活细胞)在可见光的照度下是完全透明的而且本质上表现为相位物体。通过将相位信息变换为明暗度的分布，相衬技术和Nomarski显微技术为几乎看不见的样品提供了对比，并显现出生物系统的结构上的细节。然而，通过上述技术获得的关于照明场的相位移动的信息只是用于定量分析的。来自具有高精确度和低杂波的透明物体的恢复定量分析相位信息允许测量生物学的研究中的结构和动态。用干涉仪测量和非用干涉仪测量的技术都已经被建议在生物样品的定量相位成像中使用。同样，傅立叶相位显微技术(FPM)也已经被研发为一种超低杂波的相位成像方法。由于时间周期的延长中的次纳米相位的稳定性，FPM适用于从秒数到细胞的生命周期的时间量程内的生物系统的动态研究。

发明内容

细胞级中的大多数过程，包括细胞溶质动力学、细胞膜变异、神经系统的活动，出现在下至毫秒范围的较短的时间内。因此，允许以kHz帧频俘获全场的定量相位图像的显微技术能够对生物系统进行量化。

已经发现时间变化域中的复解析信号的形式在光学领域有着广泛的应用。尤其是，复解析信号中的实虚部之间的希耳伯特变换关系已经被用于从单一的时间干涉图中恢复相位移动。本发明涉及用于定量的相位成像的系统和方法，参考希耳伯特相位显微技术(HPM)，其允许来自单一的空间干涉图的全场相位图像的恢复。

在HPM中，单次拍摄的相位成像通过记录设备(例如，成像传感器)仅被限制在帧俘获率的范围内。成像传感器的实施例包括数字成像检测器，例如，电荷耦合设备(CCD)或者COMS成像阵列。这与相位移动技术形成对比，其中用于恢复单一的相位图像需要众多的录像。此外，HPM为相位展开提供准备，其使得相位物体的研究远远大于光的波长研究。优选的是，成像设备具有至少200,000象素，其可以以至少10帧/秒的速度进行收集，而且优选的是，超过100帧/秒。

优选的实施方案中将来自单一光源的光沿着参考路径和样品路径分解。沿着样品路径的光被引导通过被测量的样品或物体，和沿着参考路径的光通过调制装置进行调制，以致当来自样品的光与调制参考光结合时，能被成像传感器所检测的干涉图案就会产生。调制装置可以是，例如，旋转反射镜或活动透镜。本发明的优选的实施方案可以包括纤维光学器件以将光连接到物体上(例如，组织)从而成像。可以使用激光或不同波长的其他的高相关光源。计算机或其他数据处理器或图像处理器可以被连接到成像设备的输出上以处理图像数据。在优选的实施方案中，数据处理器与软件程序编程以处理图像，这是利用视场中的选定点作为参考点来首先滤除杂波实现的。然后，图像进行希耳伯特变换以获取处理后的图像。对使用了滤波器之后得到的干涉图中进行傅立叶变换以获取被过滤后的图像数据。其后是适用逆傅立叶变换以获取交迭的和展开的相位图像。这提供了关注物体的定量相位图像。

本发明优选的实施方案可以包括根据本发明的希耳伯特相位成像的配置，其中光学几何条件被设置为透射或反射的成像。在优选的实施方案中，倒置的显微几何条件可以与用于结合参照物图像和样品图像的光束分解器一并使用。反射测量可以通过贴上反射材料来进行，例如，将聚苯乙烯珠粒附着到细胞膜上。然后，相干光可以被反射出所述材料以获取干涉图。这可以用于测量隔膜的机械性能，例如，剪切模量或弯曲系数。本文所描述的过程可以在，例如，人体外部或哺乳动物的组织或体液或者人眼外部的其他组织中使用。

本发明为非生物应用以及生物应用而提供；例如，本发明可以为对于光纤维和/或其他的透明或半透明的物体或材料(包括晶体结构)的相位轮廓的研究提供准备。

附图说明

附图1举例说明根据本发明的成像系统的优选实施方案。

附图2a-2h举例说明获取的图像，包括a)透射亮度图像；b)干涉图；c)正弦曲线信号；和d)从a)中显示的矩形区域中测量得到的交迭相位；e)全场的展开相位；f)全场的定量相位图像；g)通过f中的相位图像和指示模拟配合的连续线条的横向轮廓；h)全血涂片(放大倍率为40)的HPM图像；显示出5um的度量杆；灰色的度量杆显示a-c的亮度级别，和d-h的相位弧度。