[发明专利]被全息捕获三维结构的全息显微术

说明书

本申请是申请日为2008年1月25日、申请号为200880003125.2、发明名称为“用于光学捕获和材料检查的全息显微系统和方法”一案的分案申请。

交叉参考相关申请

本申请根据35U.S.C.119(e)，要求2007年1月26日提交的美国申请60/897,784的权益，在此全文引用该申请，供参考。

依照国家科学基金（National Science Foundation）资助编号DBI-0629584和资助编号DMR-0606415的资助，美国政府在本发明中具有确定的权利。

本发明针对全息光学捕获系统，该系统使用由计算机建立的全息图所产生的光陷阱，来组织材料，并以三维（3-D）方式应用显微镜光学装置，来检查和分析该材料。更具体地说，是一种全息视频显微镜系统，它使用实时分辨的3-D微结构的体积像，完成材料组合的分析和检查。

背景技术

全息光学捕获使用计算机产生的全息图，捕获微米尺度的物体并将其组织成任意的三维配置。在用于检验光学捕获的结构的现有技术中，除常规的两维显微术外，尚没有补充的方法可供使用。对各种应用，诸如，在把全息组织的系统固定在适当位置前，验证这些系统的结构，三维成像是有用的。对互作用地处理及检查三维结构的物体，诸如生物试样，三维成像也是有用的。综合三维成像与全息捕获，看来是直截了当的，因为两种技术都能使用相同的物镜，分别收集和投射激光器的光。但是，常规的三维成像方法，诸如共焦显微术，需要在机械上平移焦平面通过样品。但是，全息阱是相对于焦平面定位的，也一样需要移动。捕获图形必需平移，以补偿显微镜的机械运动，这样将大大增加复杂性，极大地降低成像速度，及可能弄碎接受检验和分析的样品。

发明内容

数字全息显微术解决现有技术的所有问题，给出实时三维（3-D）成像数据，无需任何机械运动，包含不必平移焦平面通过受分析的样品。同轴全息显微术特殊的可兼容的多样性，用准直激光器代替亮场显微镜中的常规照明器。被物体散射出激光束的光，与入射照明的剩余部分干涉，产生外差散射图形，该外差散射图形被物镜放大并用视频摄像机记录。只要该干涉图形没有被许多光散射弄模糊，那么它就包含有关该散射体的三维配置的全面信息。在得到的视频流中每一幅两维瞬态图，都是对时间分辨体积信息的编码，该时间分辨体积信息能够被直接分析，或数值解码为三维表示。该系统和方法能实现在全息光学处理系统中的数字全息显微术的迅速商业利用，且该系统和方法使用组合的能力，直接评定两种技术的精度并建立任何限制。

本发明的各种细节方面在本文后面描述，而本发明的这些和其他改进及特征，则在本文后面详细描述，其中包括下面一段中对附图的说明。

附图说明

图1表明按照本发明构建的系统；

图2A表明，在xy平面中捕获的5个胶体球（标尺为5微米）的常规亮场像；图2B表明图2A绕y轴旋转45°的图形；图2C表明在xy平面中看到的图2B旋转的图形的亮场像；图2D表明在xy平面中看到的相同结构的相干像；而图2E表明，通过该倾斜图形的xz截片的全息再现（圆圈标明所指粒子的坐标）。

图3A表明在焦平面上方x=17微米处捕获的单个球的在xy平面中记录的全息照片；图3B表明由图3A再现的散射场的实部；图3C表示用在x=0处的球记录的全息图；图3D表示散射场的轴向部分，该散射场是使受支配的胶体球，按Δ_z=0.122μm的微米步长平移通过焦平面而得到的；图3E表示使用常规照明的等价再现；而图3F表明从图3B和图3D得到的轴向强度分布，证实轴向再现的精度；和

图4A表示对xy平面中和图4B的zy平面中被遮挡物体的分辨率极限。

具体实施方式

图1画出按照本发明构建的综合系统10的示意表示。系统10以倒置光学显微镜（例如Zeiss Axiovert S100-TV）为基础，配以100×NA 1.4的油浸物镜20。该透镜20既用于投射全息光陷阱，也用于收集捕获的物体的同轴全息像。全息阱最好用工作在532nm波长的倍频二极管泵浦固态激光器25（例如Coherent Verdi）驱动，以产生输入激光束30。液晶空间光调制器35（例如Hamamatsu PAL-SLMX7550）用对需要的捕获图形编码的纯相位全息图，对该光束的波前打上印记。然后，已修改的捕获光束40被中继到物镜20的输入光瞳并被聚焦成光陷阱。