CN110082900A - 可变照明傅立叶重叠关联成像设备、***以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及傅立叶重叠关联成像***、设备以及方法，公开了一种超高NA傅立叶重叠关联成像***，包括：可变照明器，其被配置成在不同的时间以多个入射角照亮样本；光学***，其包括具有高NA的透镜，所述透镜被配置成过滤从所述样本发出的光，其中，所述多个入射角和所述高NA对应于傅立叶域中的多个重叠区域，所述多个重叠区域覆盖大于1.0的扩大的NA；以及辐射检测器，其被配置成获取多个强度图像，每个强度图像对应于所述多个入射角中的不同的入射角。

Description

可变照明傅立叶重叠关联成像设备、***以及方法
本申请是申请日为2014年8月22日，申请号为201480057911.6，发 明名称为“可变照明傅立叶重叠关联成像设备、***以及方法”的申请的 分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求标题为“Increasing Numerical Aperture of Dry Objective toUnity via Fourier Ptychographic Microscopy”并且于2013年11月4日提交的 美国临时专利申请号61/899715；标题为“Alternative Optical Implementations for FourierPtychographic Microscopy”并且于2013年8月 22日提交的美国临时专利申请号61/868967；标题为“Ultra-High NA Microscope via Fourier Ptychographic Microscopy”并且于2014年5月20日 提交的美国临时专利申请号62/000722的优先权；所有这些文献都通过引 用以其整体并且为了全部目的在此并入。
联邦政府资助的研究或开发
本发明根据由国家卫生研究院授予的批准号为OD007307的政府支持 做出。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明涉及可变照明傅立叶重叠关联成像设备、***以及方法。
背景
本文中所描述的某些实施例总体上涉及成像技术。更具体而言，某些 方面涉及可变照明傅立叶重叠关联成像***、设备以及方法，其可以被在 诸如，例如，病理学、血液学、半导体晶片的检查以及X射线和电子成像 之类的高分辨率的成像应用中使用。
范围从显微镜物镜到基于卫星的摄像机的成像透镜在物理上受限于 它们可以解析的特征的总数。这些限制是成像***的点扩散函数(PSF) 的大小和它的整个(FOV)图像平面视场的固有像差的函数。被称为空间 带宽积，该物理限制随着透镜的尺寸缩放，但通常是以10百万像素的阶 而不管放大倍率或数值孔径(NA)。传统的成像***的空间带宽积的讨论 可以在Lohmann,A.W.,Dorsch,R.G.,Mendlovic,D.,Zalevsky,Z.&Ferreira, C.的“Space–bandwidth product of optical signals and systems”，J. Opt.SOC.Am.A.13，第470-473(1996年)中找到，其通过引用为了本讨 论而在此并入。虽然传统的成像***可以能够解析高达10百万像素，典 型地存在介于PSF和FOV之间的折衷。例如，某些常规显微镜物镜可以 提供穿过狭窄的FOV(例如，1mm)的尖PSF(例如，0.5微米)，而带有 宽角透镜的其它成像***可以以模糊PSF(例如，5微米)的代价提供宽 的FOV(例如，10mm)。
某些尝试增加空间带宽积的干涉合成孔径技术被在Di,J.等人的“Highresolution digital holographic microscopy with a wide field of view based ona synthetic aperture technique and use of linear CCD scannin”Appl.Opt.47，第5654-5659页(2008年)；Hillman,T.R.,Gutzler,T.,Alexandrov,S.A.和 Sampson,D.D.的“High-resolution,wide-field object reconstruction with synthetic apertureFourier holographic optical microscopy”，Opt.Express17， 第7873-7892页(2009年)；Granero,L.,Micó,V.,Zalevsky,Z.和García,J.的 “Synthetic aperture superresolvedmicroscopy in digital lensless Fourier holography by time and angularmultiplexing of the object information”， Appl.Opt.49，第845-857页(2010年)；Kim,M.等人的“High-speed synthetic aperture microscopy for live cell imaging”，Opt.Lett.36，第148-150页(2011 年)；Turpin,T.,Gesell,L.,Lapides,J.和Price,C.的“Theory of the synthetic aperture microscope”，第230-240页；Schwarz,C.J.,Kuznetsova,Y.和Brueck, S.的“Imaging interferometric microscopy”，Opticsletters28，第1424-1426 页(2003年)；Feng,P.,Wen,X.和Lu,R.的“Long-working-distance synthetic aperture Fresnel off-axis digital holography”，OpticsExpress17，第5473-5480 页(2009年)；Mico,V.,Zalevsky,Z.,García-Martínez,P.和García,J.的 “Synthetic aperture superresolution with multiple off-axisholograms”，JOSA A23，第3162-3170页(2006年)；Yuan,C.,Zhai,H.和Liu,H.的“Angularmultiplexing in pulsed digital holography for aperture synthesis”，OpticsLetters33，第2356-2358页(2008年)；Mico,V.,Zalevsky,Z和García,J.的 “Syntheticaperture microscopy using off-axis illumination and polarization coding”，Optics Communications，第276,209-217页(2007年)；Alexandrov, S.和Sampson,D.的“Spatial information transmission beyond a system's diffraction limit usingoptical spectral encoding of the spatial frequency”， Journal of Optics A:Pureand Applied Optics10,第025304页(2008年)；Tippie, A.E.,Kumar,A.和Fienup,J.R.的“High-resolution synthetic-aperture digital holography with digital phase andpupil correction”，Opt.Express 19，第 12027-12038页(2011年)；Gutzler,T.,Hillman,T.R.,Alexandrov,S.A.和 Sampson,D.D.的“Coherent aperture-synthesis,wide-field,high-resolution holographic microscopy of biological tissue”，Opt.Lett.35,第1136-1138页 (2010年)；以及Alexandrov,S.A.,Hillman,T.R.,Gutzler,T.和Sampson,D.D. 的“Synthetic aperture Fourier holographic optical microscopy”，Phil.Trans.R. Soc.Lond.A 339，第521-553页(1992年)中描述，全部这些文献通过引用为了试图增加空间带宽的讨论在此并入。大多数的上述干涉合成孔径技术包 括使用诸如离线全息和相移全息之类的干涉全息来记录强度和相位信息 两者的设置。干涉全息有其局限性。例如，干涉全息记录典型地使用高相 干光源。这样，所构建的图像典型地遭受相干噪声源，如斑点噪声、固定 图案噪声(由来自在光束路径中的尘埃颗粒和其它光学缺陷的衍射所引起) 以及在不同的光学接口之间的多重干涉。因此，图像质量典型地比由常规 显微镜更糟。另一方面，使用离轴全息牺牲了图像传感器的空间带宽积(即， 降低了总像素数)。某些离轴全息方法的讨论可以在Schnars,U.和 Jüptner,W.P.O.的“Digital recordingand numerical reconstruction of holograms”，测量科学与技术，13，R85(2002年)中找到，其通过引用 为本讨论在此并入。此外，干涉成像技术可以受制于在不同测量之间的不可控的相位波动。因此，可能需要样本位置的准确的先验知识来设置在图 像恢复过程中的参考点。另一个限制是，许多这些干涉成像***需要机械 扫描以旋转样本，并且因此精确的光学对准、在亚微米级的机械控制和相 关联的维护由这些***所需要。在空间带宽积方面，这些干涉成像***可 以与传统显微镜相比几乎不呈现优势。
之前的无透镜显微镜，如直列全息和接触成像显微镜，也存在缺点。 例如，常规的直列全息不能很好与连续样本一起工作，并且接触成像显微 镜需要紧密靠近传感器的样本。某些数字直列全息器件的讨论可以在Denis, L.,Lorenz,D.,Thiebaut,E.,Fournier,C.和Trede,D.的“Inline hologram reconstruction with sparsity constraints”，Opt.Lett.34，第3475–3477页(2009 年)；Xu,W.,Jericho,M.,Meinertzhagen,I.和Kreuzer,H.的“Digital in-line holography for biological applications”，Proc.Natl Acad.Sci.USA 98,第 11301–11305页(2001年)；以及Greenbaum,A.等人的“Increased space–bandwidth product in pixel super-resolved lensfree on-chipmicroscopy”， Sci.Rep.3,第1717页(2013年)中找到，其通过引用为本讨论在此并入。 某些接触成像显微镜的讨论可以在Zheng,G.,Lee,S.A.,Antebi,Y.,Elowitz, M.B.和Yang,C.的“The ePetri dish,an on-chip cell imaging platform based on subpixelperspective sweeping microscopy(SPSM)”，Proc.Natl Acad.Sci.USA 108，第16889–16894页(2011年)；以及Zheng,G.,Lee,S.A.,Yang,S.&Yang, C.的“Sub-pixel resolvingoptofluidic microscope for on-chip cell imaging”， Lab Chip 10，第3125–3129页(2010年)中找到，这些文献通过引用为本讨 论在此并入。
高的空间带宽积在用于生物医学应用如病理、血液学、植物解剖学、 免疫组织化学以及神经解剖学的显微镜中是非常可取的。例如，在生物医 学和神经科学中存在成像大量组织学载玻片进行评估的强烈需要。这一需 求已经促使了精密的机械扫描和无透镜显微镜***的发展。这些***使用 具有来控制致动，光学对准以及运动跟踪的高精度的复杂的机构来增加空 间带宽积。这些复杂的机构往往制造很昂贵并且难于使用以及维护。
简述
本文中所描述的某些实施例总体上涉及成像技术。更具体而言，某些 方面涉及可变照明傅立叶重叠关联成像***、设备以及方法，其可以被在 诸如，例如，病理学、血液学、半导体晶片的检查以及X射线和电子成像 之类的高分辨率的成像应用中使用。
某些实施例涉及包括可变照明器、光学***和辐射检测器的超高NA 傅立叶重叠关联成像***。可变照明器被配置成在不同的时间以多个入射 角照亮样本。光学***包括具有高的NA的透镜，该透镜被配置成过滤从 样本发出的光。在一个示例中，高的NA可以为约0.50，并且在另一个示 例中，高的NA可以是在约0.40至约0.50的范围内，等等。多个入射角和 高NA对应于覆盖大于1.0的扩大的NA的在傅立叶域中的重叠区域。在 一个示例中，在多个重叠区域中的相邻的重叠区域可以具有重叠区域中的 一个的面积的至少约20％至90％的重叠区。在另一个示例中，相邻的重 叠区域可以具有重叠区域中的一个的面积的至少约70％的重叠区。在另一 个示例中，相邻的重叠区域可以具有重叠区域中的一个的面积的至少约75％ 的重叠区。在另一个示例中，相邻的重叠区域可以具有重叠区域中的一个的面积的至少约2％至99.5％的重叠区。辐射检测器被配置成获取多个强 度图像，每个强度图像对应于多个入射角中的不同的入射角。在一些方面 中，超高NA傅里叶重叠关联成像***还包括处理器，其被配置成通过用 强度图像的测量结果来迭代地更新在傅里叶域中的重叠区域，来产生具有 比强度图像的分辨率更高的分辨率的图像。在一个方面中，透镜可以被配 置成通过传递在它的接受角内所接收的光来过滤来自样本的光。在一个方 面中，透镜可以被配置成通过传递在它的接受角内所接收的光来过滤来自 样本的光。在一个方面中，光学***包括被配置成接收从样本反射的光的 集光光学元件并且可变照明器和集光光学元件在落射照明模式中处于样 本的同一侧。在一个方面中，透镜被配置成接收从样本反射的光并且可变 照明器和集光光学元件在落射照明模式中处于样本的同一侧。
在某些方面中，本文中所描述的实施例的超高NA傅立叶重叠关联成 像***还可以包括可变照明器，其包括了光元件的一个或多个圆形的环。 在一个方面中，每个外环可以具有比相邻的小直径环数量更大的光元件。 在一个方面中，每个同心环具有至少6个光元件。在一个方面中，每个同 心环光元件通过至少约30度分离。在一个方面中，每个同心环具有大于 约20mm的直径。在一个方面中，每个同心环具有大于约40mm的直径。
某些实施例涉及包括了可变照明器、光学***和辐射检测器的反射模 式傅立叶重叠关联成像***。可变照明器被配置成在落射照明模式中在不 同的时间以多个入射角照亮样本。光学***包括具有过滤功能的过滤光学 元件。光学***被配置成接收从样本反射的光并且使用过滤光学元件来过 滤从样本反射的光，其中，多个入射角和过滤功能对应于在傅立叶域中的 重叠区域。辐射检测器被配置成获取多个强度图像，每个强度图像对应于 多个入射角中的不同的入射角。在一个方面中，反射模式傅里叶重叠关联 成像***还包括处理器，其被配置成通过用强度图像的测量结果来迭代地 更新在傅里叶域中的重叠区域，来产生具有比强度图像的分辨率更高的分 辨率的图像。在一个方面中，过滤光学元件为被配置成通过传递在其接受 角内所接收的光来过滤光的透镜。在一个方面中，可变照明器包括以过滤 光学元件的中心轴为中心的光元件的第一组圆形环。在一个方面中，光学***还包括被以45度角并且在过滤光学元件的后面放置的分束器并且过 滤光学元件被配置成过滤从样本发出的光，分束器被配置成接收由过滤光 学元件过滤的光并且传递一半的过滤的光至辐射检测器。在一个方面中， 光学***还包括辅助透镜。在该情况下，辅助透镜被配置成接收以从可变 照明器的多个入射角的照明并且传递该照明至分束器，并且分束器被配置 成通过过滤光学元件传递一半的照明至样本。
在某些方面中，反射模式傅立叶重叠关联成像***包括可变照明器， 其包括了以过滤光学元件的中心轴为中心的光元件的第一组圆形环。在一 个方面中，光学***还包括被以45度角并且在过滤光学元件的后面放置 并且被配置成传递约一半的入射光并且反射约一半的入射光的分束器，并 且可变照明器还包括被定位以提供由分束器反射并且通过过滤光学元件 至样本的照明的光元件的第二组圆形环。在另一个方面中，光学***还包括被以45度角并且在过滤光学元件的后面放置并且被配置成传递约一半 的入射光并且反射约一半的入射光的分束器，并且可变照明器还包括被定 位以提供由分束器反射并且通过过滤光学元件至样本的照明的光元件的 第二组圆形环。
本申请提供了如下内容:
1)一种超高NA傅立叶重叠关联成像***，包括：
可变照明器，其被配置成在不同的时间以多个入射角照亮样本；
光学***，其包括具有高NA的透镜，所述透镜被配置成过滤从所述 样本发出的光，其中，所述多个入射角和所述高NA对应于傅立叶域中的 多个重叠区域，所述多个重叠区域覆盖大于1.0的扩大的NA；以及
辐射检测器，其被配置成获取多个强度图像，每个强度图像对应于所 述多个入射角中的不同的入射角。
2)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，还包括处 理器，所述处理器被配置成通过用强度图像的测量结果来迭代地更新在所 述傅立叶域中的所述重叠区域，来产生具有比所述强度图像的分辨率更高 的分辨率的图像。
3)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所 述透镜被配置成通过传递在其接受角内所接收的光来过滤来自所述样本 的光。
4)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所 述过滤光学元件的高NA为约0.50。
5)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所 述过滤光学元件的高NA为在约0.40至约0.50的范围内。
6)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所 述可变照明器包括光元件的一个或多个圆形的环。
7)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所 述可变照明器包括等距光元件的多个同心环。
8)根据第7)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，每 个外环具有比相邻的小直径的环数量更大的光元件。
9)根据第7)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，每 个同心环具有至少6个光元件。
10)根据第7)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中， 每个同心环光元件分开至少约30度。
11)根据第7)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中， 每个同心环具有大于约20mm的直径。
12)根据第7)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中， 每个同心环具有大于约40mm的直径。
13)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，
其中，所述光学***包括被配置成接收从所述样本反射的光的集光光 学元件，以及
其中，在落射照明模式中，所述可变照明器和所述集光光学元件位于 所述样本的同一侧。
14)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，
其中，所述透镜被配置成接收从所述样本反射的光，以及
其中，在落射照明模式中，所述可变照明器和所述透镜光学元件位于 所述样本的同一侧。
15)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中， 所述多个重叠区域中的相邻的重叠区域具有所述重叠区域中的一个的面 积的至少约20％至90％的重叠区。
16)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中， 所述多个重叠区域中的相邻的重叠区域具有所述重叠区域中的一个的面 积的至少约70％的重叠区。
17)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中， 所述多个重叠区域中的相邻的重叠区域具有所述重叠区域中的一个的面 积的至少约75％的重叠区。
18)根据第1)项所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中， 所述多个重叠区域中的相邻的重叠区域具有所述重叠区域中的一个的面 积的至少约2％和99.5％的重叠区。
19)一种反射模式傅立叶重叠关联成像***，包括：
可变照明器，其被配置成在落射照明模式中在不同的时间以多个入射 角照亮样本；
光学***，其包括具有过滤功能的过滤光学元件，所述光学***被配 置成接收从所述样本反射的光并且使用所述过滤光学元件来过滤从所述 样本反射的光，其中，所述多个入射角和所述过滤功能对应于在傅立叶域 中的重叠区域；以及
辐射检测器，其被配置成获取多个强度图像，每个强度图像对应于所 述多个入射角中的不同的入射角。
20)根据第19)项所述的反射模式傅立叶重叠关联成像***，还包括 处理器，所述处理器被配置成通过用强度图像的测量结果来迭代地更新在 所述傅立叶域中的所述重叠区域，来产生具有比所述强度图像的分辨率更 高的分辨率的图像。
21)根据第19)项所述的反射模式傅立叶重叠关联成像***，其中， 所述过滤光学元件为透镜，所述透镜被配置成通过传递在其接受角内所接 收的光来过滤光。
22)根据第19)项所述的反射模式傅立叶重叠关联成像***，其中， 所述可变照明器包括以所述过滤光学元件的中心轴为中心的光元件的第 一组圆形环。
23)根据第22)项所述的反射模式傅立叶重叠关联成像***，
其中，所述光学***还包括分束器，所述分束器被以45度角并且在 所述过滤光学元件的后面放置，并且被配置成传递约一半的入射光并且反 射约一半的所述入射光，以及
其中，所述可变照明器还包括光元件的第二组圆形环，所述光元件的 第二组圆形环被定位以提供由所述分束器反射并且通过所述过滤光学元 件到所述样本的照明。
24)根据第19)项所述的反射模式傅立叶重叠关联成像***，
其中，所述光学***还包括被以45度角在所述过滤光学元件的后面 放置的分束器；
其中，所述过滤光学元件被配置成过滤从所述样本发出的光；以及
其中，所述分束器被配置成接收由所述过滤光学元件过滤的光并且传 递一半的经过滤的光到所述辐射检测器。
25)根据第19)项所述的反射模式傅立叶重叠关联成像***，
其中，所述光学***还包括辅助透镜；以及
其中，所述辅助透镜被配置成接收来自所述可变照明器的以多个入射 角的照明并且传递所述照明到所述分束器，
其中，所述分束器被配置成传递一半的所述照明通过所述过滤光学元 件到所述样本。
这些和其它特征将在下面参照有关的附图更详细地进行说明。
附图的简要说明
图1是可变照明傅立叶重叠关联成像***的组件的框图。
图2描绘处于透射照明模式的可变照明傅立叶重叠关联成像设备的组 件的侧视图的示意图。
图3A描绘带有圆形可变照明器的超高NA可变照明傅立叶重叠关联 成像设备的组件的正交视图。
图3B和3C描绘用于在图3A中示出的超高NA配置的在傅立叶域中 的扩展。
图3D和3E描绘用具有两个同心环的圆形可变照明器修改的用于在图 3A中示出的超高NA配置的在傅立叶域中的扩展。
图4描绘带有矩形阵列可变照明器的超高NA可变照明傅立叶重叠关 联成像设备的组件的正交视图。
图5描绘在落射照明模式下的可变照明傅立叶重叠关联成像设备的组 件的正交视图。
图6描绘在落射照明模式下的可变照明傅立叶重叠关联成像设备的组 件的正交视图。
图7A和7B描绘在落射照明模式下的可变照明傅立叶重叠关联成像设 备的组件的正交视图。
图8是可变照明傅立叶重叠关联成像方法的流程图。
图9是图8的方法的步骤之一的某些子步骤的示例的流程图。
图10A是图8的方法的步骤之一的某些子步骤的示例的流程图。
图10B和10C是描绘了在透射照明模式下的可变照明傅立叶重叠关联 成像设备的组件的示意图。
图10D是参照图8和10A所描述的可变照明傅立叶重叠关联成像方法 中的某些步骤的图示。
图11是用贴片成像的可变照明傅立叶重叠关联成像方法的流程图。
图12是可以存在于可变照明傅立叶重叠关联成像***中的子***的 框图。
详细说明
本文中描述的某些实施例涉及可变照明傅立叶重叠关联成像***、设 备以及方法。
I.可变照明傅立叶重叠关联成像***
在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像***包括可变照明器、 光学***和辐射检测器。在某些情况下，***可以与处理器进行通信或进 一步包括处理器(例如，微处理器)。可变照明器可以照亮(例如，用平 面波照射)正被从多个入射角成像的样本。光学***可以接收从样本发出 的光并且将它传播到辐射检测器。光学***包括可以典型地基于它的接受 角来“过滤”光的至少一个过滤光学元件。辐射检测器接收来自光学***的 过滤的光，并且测量光强度分布以捕捉对应于不同的入射角的样本的多个 图像强度。每个强度图像与在傅立叶空间中的区域相关联。在以透镜的形 式的过滤光学元件的情况下，该区域的直径对应于透镜的NA并且该区域 的中心对应于在那个采样时间的照明的入射角。傅立叶重叠关联成像*** 的组件(例如，可变照明器和过滤光学元件)被配置成获取在空间域中的 强度图像，其对应于在傅立叶空间中的按一定的量重叠且/或覆盖较大的区 域(例如，覆盖较高的频率)的重叠的圆形区域。例如，过滤光学元件的 NA和可变照明器的分立的光元件的数目和位置可以被设计，使得在傅立 叶空间中的圆形光瞳区域按一定的量重叠。在一种情况下，这些组件可以 被设计，使得与相邻的入射角相关联的圆形区域在傅立叶域中按一定的比 例(例如，按约70％，按约80％，按约90％，等等)重叠。在傅立叶空 间中的重叠的图像数据可以被迭代地拼接在一起，以产生样本的较高分辨 率的图像。在一些情况下，可变照明傅立叶重叠关联成像***还可以校正 在***中的像差，包括了，例如，对较高分辨率的图像进行重新聚焦。
在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像***包括用于样本的宽 的视场(例如，直径为13mm)的具有低的NA的过滤光学元件(例如， 具有0.08的2x透镜)的光学***。该***获取由于过滤从样本发出的光 的低NA的光学元件的具有相对低的分辨率的强度图像。这些强度图像对 应于在傅立叶空间中的比如果较高的NA的光学元件被使用时更小的圆形 区域。为了按一定的量(例如，70％，75％等)重叠在傅立叶空间中的这 些较小的圆形区域，在本***中的可变照明器被配置成提供具有在相邻的 入射角之间的相对短的间隔(例如，0.05弧度)的照明。带有用于宽视场 成像的低NA的过滤光学元件的可变照明傅立叶重叠关联成像***可以在 题为“Fourier Ptychographic Imaging Systems,Devices,andMethods”并且于 2013年10月28日提交的美国专利申请序列号14/065280中以及在题为“Fourier Ptychographic X-ray Imaging Systems,Devices,and Methods”的美 国专利申请序列号14/065305中，以及在G.Zheng,R.Horstmeyer和C.Yang 的“Wide-field,high-resolution Fourier ptychographic microscopy”，Nature Photonics，2013年中找到，它们都通过引用以其对于这些***的细节的整 体在此并入。
在其它方面中，超高NA(例如，大于1.0的NA)可变照明傅立叶重 叠关联成像***被配置成实现样本图像的更精细的分辨率。在这些方面中， 超高NA可变照明傅立叶重叠关联成像***包括带有较高的NA的过滤光 学元件(例如，具有0.5NA的20x透镜)的光学***和对于组合的增加的 ***NA的更高照度的NA。较高的NA过滤光学元件允许这些***来捕捉比与上述的低NA的***更高分辨率的强度图像。这些强度图像对应于 在傅立叶空间中的比用较低NA的过滤光学元件所捕捉的强度图像更大的 区域。因为更大的区域被覆盖，可变照明器可以被配置以在相邻的入射角 之间的减小的间隔以及以入射角的减小的数目N。在这些***中，较少的 强度图像可以被需要以产生与用使用低NA的过滤光学元件的***相同或 比之更高的分辨率。因为可能需要更少的强度图像，图像采集时间更短， 并且可以需要更少的资源以产生具有与低NA***相同或比之更高的分辨 率的图像。此外，该可变照明器可以是较简单的设计(例如，密度较小的 LED矩阵)，因为需要更少的光元件以提供来自减小的数目N的入射角的 照明。在一些情况下，可变照明器可以被进一步配置，使得在极端入射角 之间的差比与上述低NA***的更大(即，更高的照明NA)。即，更高的 照明NA允许处于在傅立叶空间中的外部区域的高频数据的捕捉，其也提 高了最终图像的分辨率。因此，具有增加的照明NA和/或增加的光学*** NA的这些可变照明傅立叶重叠关联成像***可以提供一种增加的*** NA，其可以提高图像的分辨率。也就是说，这些***可以能够以这样的入 射角照亮样本，该入射角允许采集覆盖在傅立叶空间中的较大的重叠区域 的图像和较高频率的数据。在合并后，这些重叠的较大的区域可以导致合 成的大型***NA区域，其可以，在某些情况下，接近单位一。在某些情 况下，这些***具有高的合成***NA(例如，接近于单位一，在那里过 滤光元件的固有NA是较低的，诸如，例如，约0.75)，同时保持了大的工 作距离，并且不使用需要的浸入介质。
在传统的显微镜中，可以被实现的最高的***NA受限于几何原理(即 至多来自样本的光的整个上半球光锥被收集)和透镜设计技术，导致了对 于干式显微镜的～0.95的上限和对于油浸显微镜的～1.40。一些常规的水 或油浸物镜可以提供NA>0.9，其中具有大于1的折射率的浸入介质改善 了来自样本的光的收集。然而，浸入物镜有若干可能使它们不适合用于某 些应用的缺点。首先，样本需要被浸入介质中并且典型地工作距离很短(0.1～0.2mm)，其呈现对于样本的显微操作的障碍。其次，共同沉入介质在频 谱的紫外区域(<375nm)和近红外区域(>700纳米)具有固有地高的吸 收特征，这为在该区域中的光场浸入显微镜并且也为荧光浸入显微镜带来 了一些问题。在油浸和数值孔径之间的关系的描述可以在以下网址找到： http://www.olympusmicro.com/primer/anatomy/immersion.html，其通过引用 为本说明在此并入。
在某些情况下，本文中所描述的可变照明傅立叶重叠关联成像***可 以被配置成在透射照明模式下(即引导照明源通过样本并且朝向集光光学 元件)和/或在落射照明模式下(即，引导照明源朝向样本并且远离集光光 学元件)进行操作。在落射照明模式下，集光光学元件接收了从样本的表 面反射的光。为了在落射照明模式下进行操作，照明源(例如，可变照明 器的照亮的元件)可以被配置成引导照明至与集光光学元件所位于的同一 侧的样本。被示出在落射照明模式下进行操作的可变照明傅立叶重叠关联 成像设备的一些示例在图5、图6和图7A-7B中示出。在透射照明模式下， 反射的光可以不被集光光学元件捕捉并且可以是仅通过样本所发射的光 被收集。因此，落射照明模式对于成像厚和/或不透明的样本可以比透射照 明模式更有效。在落射照明模式下进行操作的可变照明傅立叶重叠关联成 像***典型地成像样本的反射表面。为落射照明模式配置可变照明傅立叶重叠关联成像***在涉及包括了，例如，半导体晶片、芯片和/或电子电路 板的检查等等的金属或半导体表面检查的应用中可以是特别地有用的。对 于被配置用于落射照明模式的这些傅立叶重叠关联成像***的某些应用 可以包括带有修改的闪光***或卫星图像的手持式摄像机。
图1是根据某些实施例的可变照明傅立叶重叠关联成像***10的组 件的框图。可变照明傅立叶重叠关联成像***10包括可变照明傅立叶重 叠关联成像设备100和可选(由虚线表示)的与可变照明傅立叶重叠关联 成像设备100进行电子通信的计算设备200。在某些示出的示例中，如在 图1中所示的一个，示出了样本为了图像测量过程而被提供给可变照明傅 立叶重叠关联成像设备。应该理解的是，样本在该设备的非必需组件中， 并且正在为了说明该设备的操作的目的而被示出。可选的计算设备200可 以是各种形式，诸如，例如，智能电话、笔记本电脑、台式机、平板电脑 等。计算设备的各种形式将由本领域技术人员所预期。
可变照明傅立叶重叠关联成像设备100包括可变照明器110、光学系 统130和辐射检测器140。可变照明器110被配置成以在(θxi,j,θyi,j)的数量 为N的多个入射角来提供至样本20的照明，i＝1至n，j＝1至m。可变 照明器110被配置成在透射照明模式下和/或在落射照明模式下照亮样本 20。在透射照明模式下，可变照明器110引导照明通过样本20并且朝向光 学***130的集光光学元件。在落射照明模式下，可变照明器110引导照 明至样本20并且远离光学***130的集光光学元件。
光学***130包括被配置成接收从样本20发出的光并且将它传播到 辐射检测器140的组件。光学***130的集光光学元件的组件接收从检体 20发出的光。要么集光光学元件要么光学***130的另一个光学元件过滤 它接收的光。例如，该过滤光学元件可以是物镜透镜的形式，其接受在其 接受角内的光以充当过滤器。光学***130传播过滤的光至辐射检测器140， 其在M个采样时间tq＝1至M测量(例如，记录)在辐射检测器140处的强度 分布，以捕捉样本的数量为M的多个强度图像。在某些情况下，M＝N， 即强度的测量结果对应于每个入射角。
在图1中，可选的计算设备200包括处理器210(例如，微处理器)、 与处理器210通信的计算机可读介质(CRM)220以及也与处理器210通 信的显示器230。处理器210在与辐射检测器140进行电子通信，以接收 带有对应于M个强度图像的图像数据的信号。该图像数据可以包括，例如， 强度分布、相关联的采集时间等。强度图像是样本20和/或围绕样本20的区的。
处理器210与CRM 220(例如，存储器)进行电子通信，以能够发送 带有图像数据的信号，以便存储至CRM 220并且从CRM 220中恢复图像 数据。处理器210与显示器230进行电子通信，以能够发送图像数据和指 令，以显示图像和其它输出，例如，至***10的用户。如图由虚线所示， 可变照明器110可以可选地与处理器210进行电子通信，以发送用于控制可变照明器110的指令。例如，在某些方面中，这些控制指令可以被实现 为将以不同的入射角的照明时间与辐射检测器140的采样时间进行同步。 本文中所描述的在***10的组件以及其它***以及设备之间的电子通信 可以是以有线或无线形式。
处理器210还可以接收被存储在CRM 220上的指令并且执行这些指令 以执行可变照明傅立叶重叠关联成像***10的一个或多个功能。例如， 处理器210可以执行指令以执行可变照明傅立叶重叠关联成像方法中的一 个或多个步骤。作为另一个示例，处理器210可以执行用于照亮可变照明 器110的光元件的指令。作为另一个示例，处理器210可以执行被存储在 CRM 220上的指令以执行该***的一个或多个其它功能，诸如，例如，1) 解释来自多个强度图像的图像数据，2)从图像数据产生高分辨率图像， 以及3)在显示器230上显示来自可变照明傅立叶重叠关联成像方法的一 个或多个图像或其它输出。
CRM(例如，存储器)220可以存储用于执行***10的特定功能的指 令。这些指令可以是由处理器220或***10的其它处理组件可执行的。 CRM 220还可以存储(较低分辨率的)强度和较高分辨率的图像数据，以 及由***10产生的其它数据。
可变照明傅立叶重叠关联成像***10还包括与处理器210进行电子 通信的显示器230，以接收数据(例如，图像数据)并且为了，例如，可 变照明傅立叶重叠关联成像***10的操作者来提供显示数据至显示器230。 显示器230可以是彩色显示器或黑白显示器。此外，显示器230可以是二 维显示器或三维显示器。在一个实施例中，显示器230可以能够显示多个 视图。
在一种操作中，可变照明傅立叶重叠关联成像***10执行一种方法， 其包括测量过程、恢复过程以及可选的显示过程。在测量过程期间，样本 被使用可变照明器110从数量为N的多个入射角(θxi,j,θyi,j)照亮,i＝1至n,j＝ 1至m,(N＝n x m)。光学***130具有过滤从样本发出的光的过滤光学元 件。光学***130传播过滤的光至辐射检测器140。辐射检测器140接收 过滤的光，并且获取数量为M的多个强度图像Ik,l，k＝1至o并且j＝1至 p，其中M＝o x p。在某些情况下，M可以为N。可变照明器110被配置 以入射角产生照明，其将产生在傅立叶空间中按一定的量重叠的图像数据。 在恢复过程期间，M个强度图像被迭代地组合在傅立叶空间中，以产生较 高分辨率的图像数据(强度和/或相位)。在可选的显示过程期间，图像(例 如，较高分辨率的图像，获得的强度图像等)和/或其它输出可以被在显示器230上提供。在某些方面中，***10还可以能够校正在***10中的任 何像差，包括了较高分辨率的图像的重新聚焦。在一种情况下，***10 还可以能够传播较高清晰度的图像至一个或多个平面。来自在不同的平面 上的这些传播的图像的图像数据可以被用来产生三维图像。在某些方面中， ***10也可以能够产生在不同的照明波长(RGB)下的图像，以产生彩色图像。
某些修改、添加或省略可以对可变照明傅立叶重叠关联成像***10 做出而不脱离本公开的范围。此外，本文所描述的可变照明傅立叶重叠关 联成像***10的组件或可变照明傅立叶重叠关联成像设备的组件可以根 据特定需要被集成或分离。例如，计算设备200或其组件可以被集成到可 变照明傅立叶重叠关联成像设备100中。在一些实施例中，处理器210或 其它适当的处理器可以是可变照明傅立叶重叠关联成像设备100的一部分。 某些情况下，处理器210可以被集成到辐射检测0器中，使得辐射检测器 执行处理器210的功能。作为另一个示例，在某些情况下，CRM 220和/ 或显示器230可以被从可变照明傅立叶重叠关联成像***100中省略。
在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像***以及设备还可以包 括用于在样本表面上接收样本的容器。样本表面可以是***以及设备的组 件的一部分或单独的组件。
在某些方面中，由可变照明傅立叶重叠关联成像***10所捕捉的全 视场的强度图像中的一个或多个可以被分割成一个或多个贴片图像。在这 些情况下，处理器可以为每个贴片独立地构建较高分辨率的复合图像，并 且然后合并贴片图像以产生全视场的图像。这种独立地处理贴片图像的能 力允许并行计算。在这些方面中，每个贴片可以通过二维区来表示。在极 空间坐标下，每个贴片可以是圆形区或椭圆形区。在直线空间坐标下，全 视场的低分辨率图像可以被分割成在矩形区中的贴片的两维矩阵。在一些 实施例中，当以辐射检测器的像素数来表示时，贴片的二维方阵的尺寸可 以是在二的幂，诸如，例如，256×256矩阵、64×64矩阵等。
图2根据某些实施例描述在透射照明模式下的可变照明傅立叶重叠关 联成像设备100(a)的组件的侧视图的示意性图。可变照明傅立叶重叠关 联成像设备100(a)是相对于图1所描述的可变照明傅立叶重叠关联成像 设备100的一种配置的示例。
在图2中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(a)包括可变照明 器110、光学***130以及具有感测表面142的辐射检测器140。可变照明 器110包括光元件112和表面111。可变照明器110还包括在平面上的描 述了从其中照明源被提供的近似的平面的x'轴、y'轴(未示出)，以及z'轴。 尽管图2显示可变照明器110包括了单个光元件112，可变照明器110可 以具有在不同的位置处的附加的光元件，以在多个入射角提供入射光。尽 管辐射检测器140被示出在远离光学***130的距离处，辐射检测器140 可以可选地位于光学***130处。
在图示的示例中，样本20已经被提供给检体表面126用于测量过程。 光元件112被示出在透射照明模式下提供照明114通过样本20，其中照明 114具有用于测量过程的波矢量kxi,j,kyi,j。还示出的是在z＝0处的在焦平 面122和在z＝z0处的样本平面124。可变照明傅立叶重叠关联成像设备 100(a)还包括在在焦平面122上的x轴、y轴(未示出)，以及正交于在 焦平面122的z轴。还示出的是在可变照明器110和样本平面124之间的 距离d和在样本20和光***130之间的工作距离d0。总体上，工作距离 d0是指在样本20和光学***130的集光光学元件之间的距离。
在图2中，光元件112被示出在测量过程中在单个样本(采集)时间 提供照明114。光学***130接收并且过滤从检体20发出的光。由光学系 统130所过滤的光被在辐射检测器140的感测表面142上接收。辐射检测 器140在采样时间测量在感测表面142上接收的入射光的强度分布并且捕 捉强度图像。尽管可变照明傅立叶重叠关联成像设备100被在单个采样时 间示出，设备100(a)可以包括以，例如，N个入射角(θxi,j,θyi,j)进行照 射的N个光元件112,i＝1至n,j＝1至m,其中N＝n x m。在这种情况下， 辐射检测器140可以在M个采样时间获取数量为M的多个强度图像Ik,l,k＝ 1至o并且j＝1至p，其中，当该照明是以数量为N的多个入射角(θxi,j,θyi,j) 中的不同的入射角时，每个强度图像可以被获取。入射角(θxi,j,θyi,j)是相对 于垂直于在z＝z0处的样本平面并且通过点P的轴线而测量的角度。在图2中所示的侧视图中，仅在x-z平面中的入射角的分量θxi,j被示出。
可变照明器总体上指的是可以被配置成提供入射辐射到被在M个图 像采集时间以不同的入射角成像的样本的设备。在许多情况下，可变照明 器被设计为以数量为N的多个入射角(θxi,j,θyi,j)提供入射辐射，i＝1至n， j＝1至m。总体上，N具有在从2至1000的范围内的值。每个入射角对 应于相应的在傅立叶空间中所获取的图像数据的位置。在空间域中的相邻 的入射角对应于在傅立叶空间中的邻近区域。在某些方面中，该可变照明 器被设计为以提供了在傅立叶空间中的图像数据的邻近区域的重叠区的 入射角提供照明，其中该重叠区为至少特定的最小量的(例如75％重叠， 70％重叠，80％重叠，等等)。为了提供在傅立叶空间中的邻近区域的重 叠的该最小量，可变照明器可以被配置，使得在数量为N的多个入射角中 的相邻的入射角之间的差小于特定的最大角度差。即，可变照明器可以被配置以在相邻的入射角之间的最大差，以提供在傅立叶空间中的重叠的最 小量。例如，最大角度差对于2X 0.08NA的物镜透镜可以是约0.05rad。在 另一种情况下，最大角度差可以是约.1rad。
在某些情况下，可变照明傅立叶重叠关联成像***可以包括以具有接 受角的透镜的形式的过滤光学元件。此接受角对应于在傅立叶空间中的圆 形光瞳区域的直径。在这些情况下，可变照明器可以被配置成具有通过由 透镜的接受角定义的值的角度分开的相邻的入射角。在一种情况下，在多 个入射角中的两个相邻的入射角之间的差的值可以是在以物镜透镜的形 式的过滤光学元件的接受角的约10％至约90％的范围内。在另一种情况下，在多个入射角中的两个相邻的入射角之间的差的值可以是在以物镜透 镜的形式的过滤光学元件的接受角的约33％和约66％的范围内。在另一种 情况下，在多个入射角中的两个相邻的入射角之间的差的值可以是小于以 物镜透镜的形式的过滤光学元件的接受角的约76％。在另一种情况下，在 相邻的入射角之间的差是以物镜透镜的形式的过滤光学元件所定义的接 受角的约1/3。在另一种情况下，入射角的范围，由在最大和最小入射角 之间的差所定义，可以是约等于与最终的较高分辨率的图像的空间分辨率 相一致的数值孔径。在一种情况下，接受角是在约-0.08rad至约0.08rad的 范围内，并且相邻的角度为0.05rad。
可变照明器包括一个或多个辐射源。尽管辐射源通常是相干辐射源， 非相干辐射源也可以在某些情况下使用，并且计算校正可以被应用。辐射 源可以是可见光其它形式的辐射。在使用可见光辐射的情况下，辐射源是 可见光源。可见光辐射源的一些示例包括液晶显示器(LCD)像素和发光 二极管(LED)显示器的像素。在使用其它形式的辐射的情况下，也可以 使用其它辐射源。例如，在使用X射线辐射的实施例中，辐射源可以包括 X射线管和金属靶。作为另一个示例，在使用微波辐射的情况下，辐射源 可以包括真空管。作为另一个示例，在使用声学辐射的情况下，辐射源可 以是声学致动器。作为另一个示例，在使用太赫兹辐射的情况下，辐射源 可以是耿氏二极管。本领域的技术人员将考虑其它辐射源。在一种使用太 赫兹辐射的情况下，由照射源提供的辐射的频率可以是在约0.3至约3THz 的范围内。在一种使用微波辐射的情况下，由可变照明器提供的辐射的频 率可以是在约100MHz至约300GHz的范围内。在一种使用X射线辐射的 情况下，由可变照明器提供的辐射的波长可以是在约0.01nm至约10nm的 范围内。在一种使用声学辐射的情况下，由可变照明器提供的辐射的频率 可以是在约10Hz至约100MHz的范围内。
在某些情况下，可变照明器可以包括多个分立的光元件，每个光元件 包括了至少一个辐射源。例如，被配置成提供可见光的可变照明器典型地 包括多个分立的光元件。可以提供可见光的分立的光元件的一些示例是 LCD像素和LED显示器的像素。在许多情况下，由每个光元件提供的照 明可以被近似为在样本处从单一入射角的平面波照射。例如，在图2中的 光元件112以具有在x-z平面中的分量θxi,j的入射角提供照明114。
在某些情况下，在每个采集时间来自可变照明器的激活的放射线源的 照明属性(例如，波长、频率、相位、振幅、极性等)可以是大致均匀的。 在一些情况下，从全部的入射角的在全部采集时间来自激活的辐射源的照 明可以是大致均匀的。在其它情况下，属性可以在不同的入射角变化，例 如，通过在测量过程期间提供n个不同的波长λ1,…,λn。在其它情况下， 可变照明器可以分别提供对应于红、绿、蓝三种颜色的三个波长λ1、λ2和 λ3的RGB照明。在使用太赫兹辐射的示例中，由可变照明器提供的辐射 的频率可以是在约0.3至约3THz的范围内。在使用微波辐射的示例中， 由可变照明器提供的辐射的频率可以是在约100MHz至约300GHz的范围 内。在使用X射线辐射的示例中，由可变照明器提供的辐射的波长可以是 在约0.01nm至约10nm的范围内。在使用声学辐射的示例中，由可变照明 器提供的辐射的频率可以是在约10Hz至约100MHz的范围内。
在一些情况下，可变照明器包括在不同的空间位置处的数量为N的多 个固定的分立的光元件(例如，在图3A中的可变照明器110(a))。这些 N个固定的光元件可以在不同的采样时间(例如，连续地)单独地或一个 或多个成组地进行照明，以从数量为N的多个入射角提供照明。在其它情 况下，可变照明器可以包括移动光元件。该移动光元件可以相对光学***、 样本以及辐射检测器，其可以被保持静止，来移动。在这些情况下，移动 光元件可以被使用诸如光栅扫描仪之类的机构移动到数量为N的多个不同 的空间位置。基于在固定组件和移动光元件之间的相对移动，光元件可以 从数量为N的多个入射角提供照明。在其它情况下，可变照明器包括固定 的光元件并且***的其它组件被移动到不同的空间位置以提供相对移动。 基于在固定光元件和***的其它组件之间的这种相对移动，光元件可以从 数量为N的多个入射角提供照明。
在可变照明器包括了多个光元件的情况下，光元件可以是以各种配置， 诸如线网格、矩形网格、一个或多个同心圆(环)、六边形网格、曲线网 格或能够从多个入射角提供照明的其它适当的布置。具有以单环形式的光 元件的圆形可变照明器110(b)的示例在图3A中示出。以光元件的直线 网格的形式的矩形阵列可变照明器110(c)的示例在图4中示出。光元件 的一些示例是液晶显示器(LCD)的像素或发光二极管(LED)。光元件的 排列可以被配置为在相邻的元件之间有一定的间隔且处于特定位置处，其 在被激活时可以以对应于在某些情况下具有一定的量的重叠的在傅立叶 空间中的重叠区域的多个入射角提供照明。
在用多个光元件的情况下，光元件的位置可以由一维或二维阵列(例 如，1×9阵列、3×6阵列、10×10阵列、15×15阵列、32×32阵列、100×100 阵列、50×10阵列、20×60阵列或具有两个维度的其它阵列)表示。在某 些情况下，这样的二维阵列具有维度n x m，光元件位置为Xi,j(r,θ)或Xi,j (x,y)，i＝1至n,j＝1至m，其中位置的数目N＝n x m。
在某些方面中，可变照明器包括被以，例如根据照明指示的顺序在不 同的采集时间点亮的分立的光元件。例如，该顺序可以定义在分立的光元 件的二维阵列中的单独的光元件或光元件组的照明时间。在其中光元件的 二维矩阵是矩形阵列的一个示例中，中心光元件可以被确定。照明指示可 以指示以首先照亮中心光元件，然后照亮围绕中心光元件逆时针方向的8 个光元件，然后照亮围绕之前的光元件逆时针方向的16个光元件，依此 类推，直到可变照明器已经提供了从数量为N的多个入射角(θxi,j,θyi,j)的照 明，i＝1至N。在另一个示例中，其中光元件的二维矩阵是诸如一个或多 个同心环之类的极矩阵(polarmatrix)，照明指示可以指示以首先照亮在最 小半径处的光元件(例如，以顺时针、逆时针或随机顺序)，然后照亮在 较大的半径处的任何光元件，依此类推，直到全部可变照射器已经提供了 从数量为N的多个入射角(θxi,j,θyi,j)的照明，i＝1至N。在其中光元件 的二维阵列是矩形或环形阵列的另一个示例中，最接近检体的光元件可以 被确定。照明指示可以指示以照亮最接近检体的光元件，并且然后照亮下 一个最接近检体的光元件，并且然后照亮下一个最接近的光元件，依此类 推，直到N个光元件已经被从数量为N的多个入射角度照亮。另一个示例 中，光元件可以被以随机顺序照亮。在另一个示例中，相继逐列的顺序可以被遵循，例如，(X1,Y1),(X1,Y2),(X1,Y3),..(X1,Yn),(X2,Y1),(X1,Y2), (X1,Y3),..(X2,Yn),..(Xm,Yn)。可替代地，逐行的顺序可以被遵从。
在某些方面中，本文中所描述的某些***的可变照明器可以提供在落 射照明模式下和/或在透射照明模式下。为了能够在落射照明模式下发挥作 用，可变照明器典型地位于样本的与光学***的集光光学元件的同一侧。 为了能够在透射照明模式下发挥作用，可变照明器典型地位于样本的与光 学***的集光光学元件的相反侧。
本文中所描述的由可变照明傅立叶重叠关联成像***成像的样本可 以由一个或多个对象和/或对象的一个或多个部分组成。每个对象可以是， 例如，生物实体、无机实体等等。可以被成像的生物实体的一些示例包括 全细胞、细胞成分、诸如细菌或病毒之类的微生物以及诸如蛋白质之类的 细胞成分。可以被成像的无机实体的一个示例是半导体晶片。在某些方面 中，厚和/或不透明的样本可以由本文中所描述的某些傅立叶重叠关联成像 ***来成像。样本可以在诸如液体之类的培养基中提供。
在发光成像的示例中，试剂(例如，荧光/磷光染料)可以被与样本混 合以根据与荧光团的调查来对各部分进行标记或打标签。荧光团可以指引 起分子发出荧光或磷光的分子的组成部分。荧光团可以吸收来自特定波长 的激发光的能量并且再发射在不同波长的能量。在发光成像的示例中，照 明源可以用预先确定的波长的激发光(例如，蓝色光)照亮样本以激活在 样本中的荧光团。作为响应，荧光团释放不同波长的发射光(例如，红色光)。
光学***130包括一个或多个其它组件，诸如，例如，透镜、分束器、 物镜、管透镜、波长滤波器、孔径元件(例如，物镜、物理虹膜等)，以 及其它类似的元件。在发光成像的示例中，光学***130可以包括，例如， 在集光光学和辐射检测器之间来滤除激发光并且传递发射光的过滤器(例 如，传递发射光并且阻止激发光的材料)。光学***130可以包括，例如， 某些显微镜光学组件或相机光学组件。总体上，光学***130包括收集从 样本20发出的光的集光光学元件或第一光学元件。光学***130还包括 用于过滤从样本发出的光的过滤光学元件。过滤光学元件可以是集光光学 元件。在某些情况下，过滤光学元件可以是透镜(例如，物镜透镜)。在 某些超高NA示例中，透镜的高NA可以为约0.50。在其它超高NA的示例中，透镜的高NA可以是在约0.50至约0.75的范围内。在另一个超高 NA示例中，透镜的高NA可以为约0.60。
在本文中所描述的某些可变照明傅立叶重叠关联成像***中，辐射检 测器(例如，在图1中的辐射检测器140)被配置成通过在特定的采样(采 集)时间测量/记录在检测器平面上的入射辐射的强度分布，来获取样本的 多个强度图像。在图像测量过程期间，例如，辐射检测器可以在M个采样 时间获取数量为M的多个强度图像，tq＝1至M。如果可见光辐射被测量，辐 射检测器可以是以电荷耦合器件(CCD)、CMOS成像传感器、雪崩光电 二极管(APD)阵列、光电二极管(PD)阵列、光电倍增管(PMT)阵列 或类似器件的形式。如果使用THz辐射，辐射检测器可以是，例如，成像 辐射热测量计。如果使用微波辐射，辐射检测器可以是，例如，天线。如 果使用X射线辐射，辐射检测器可以是，例如，x射线敏感的CCD。如果 使用声学辐射，辐射检测器可以是，例如，压电换能器阵列。辐射检测器 和其它器件的这些示例是市售的。在一些情况下，辐射检测器可以是彩色 检测器，例如RGB检测器。在其它情况下，辐射检测器不需要是彩色检 测器。在某些情况下，辐射检测器可以是单色检测器。
在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像***包括被配置成从数 量为N的多个照明入射角照亮样本的可变照明器和被配置成基于数量为N 的多个入射角中的不同的入射角捕捉数量为M的多个强度图像的辐射检 测器。在某些情况下，N＝M(即，强度图像被为每个照明角获取)。
在某些方面中，辐射检测器可以具有分立的元件(例如，像素)。分 立的检测元件可以是任何适当的尺寸(例如，1-10微米)和任何适当的形 状(例如，圆形、矩形、正方形等)的。例如，CMOS或CCD元件可以 是1-10微米并且APD或PMT光检测元件可以是1-4mm那样大。在一个 示例中，辐射检测元件是具有5.5um的尺寸的正方形像素。
采样时间或采集时间可以指辐射检测器130捕捉样本的强度图像的时 间。在此处所描述的某些图像测量过程期间，辐射检测器捕捉数量为M的 多个强度图像(例如，M＝1，2，5，10，20，30，50，100，1000，10000， 等等)。在强度图像被捕捉的每个采样时间tq，光被以数量为N的多个入 射角中的不同的入射角提供给样本。在某些情况下，采样速率的范围可以 从0.1至1000帧每秒。
傅立叶空间可以指由波矢量kx和ky所跨越的数学空间，该数学空间 是由孔径-扫描傅立叶重叠关联成像***创建的空间图像的二维傅立叶变 换驻留在其中的坐标空间。傅立叶空间也可以指由通过辐射传感器收集的 空间图像的二维傅立叶变换驻留在其中的、波矢量kx和ky所跨越的数学 空间。
在测量过程期间，辐射检测器130捕捉包括了数量为M的多个强度图 像的图像数据。辐射检测器130还可以产生其它图像数据，诸如采样时间 和其它相关的采样数据。由辐射检测器捕捉的数量为M的多个强度图像中 的每个与在傅立叶空间中的区域相关联。在傅立叶空间中，邻近区域可以 共享在其上它们采样相同的傅立叶域数据的重叠区。在傅立叶空间中的该 重叠区对应于由可变照明器提供的照明的邻近入射角的重叠区。在某些方 面中，可变照明器被配置成以被隔开以提供在傅立叶域数据中的一定的量 的重叠区的多个入射角提供照明。在一种情况下，可变照明器被配置成以 多个入射角提供照明，以产生在傅立叶域数据中的区域中的一个的面积的 约2％至约99.5％的范围内的重叠区。在另一种情况下，在邻近区域之间 的重叠区可以具有在区域中的一个的面积的约65％至约75％的范围内的 区。在另一种情况下，在邻近区域之间的重叠区可以具有区域中的一个的 面积的约65％的区。在另一种情况下，在邻近区域之间的重叠区可以具有 区域中的一个的面积的约70％的区。在另一种情况下，在邻近区域之间的 重叠区可以具有区域中的一个的面积的约75％的区。
基于***10的几何形状，可变照明器可以被配置成产生来自提供在 傅立叶空间中的重叠区域之间的一定的量的重叠区的入射角的照明。例如， 在光元件之间的距离可以是一定间隔(例如，1mm、0.5mm等)的。在图10B中，在光元件之间的间隔为4mm。
本文中所描述的某些可变照明傅立叶重叠关联成像***可以被用于 发光(例如，荧光、磷光、化学发光、生物发光等)成像。例如，某些系 统可以适于收集被引导回朝向照明源的发射光。在荧光成像和其它发光成 像应用中，在样本中的荧光团通过来自照明源的一定的波长的激发照明激 发并且发射不同的波长的光(发射光)。这些发射光倾向于具有相比于激 发光的弱信号，使得收集效率可以是重要的。某些***可以被配置成提供 落射照明，使得辐射检测器可以接收来自样本的发射光和/或从样本反射回 朝向照明源的光。这些***具有可以容纳引导激发光照明至样本并且远离 在***中的下一个元件的照明源的光学布置。以这种方式，通过***的激 发照明的传播可以被基本上避免。
-超高NA配置
图3A根据某些实施例描绘可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(b) 的组件的正交视图的图示。可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(b)是 相对于图1所描述的***10的可变照明傅立叶重叠关联成像设备的超高 NA配置的示例。
在图3A中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(b)包括圆形可 变照明器110(b)、具有物镜134(例如，显微镜物镜)和管透镜132的光 学***130(b)和辐射检测器140(b)。在本图示中，物镜134是光学系 统130的集光(第一)光学元件。物镜132具有相对高的NA(例如，在 约0.60至约0.75的范围内)。样本20被在检体表面126上示出为被提供 给可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(b)。
在图3A中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(b)包括具有被 以单一的环布置的九(9)个分立的光元件112(b)的圆形可变照明器110 (b)。在其它情况下，圆形可变照明器110(b)可以是以多个同心环的形 式，或以其它排列。在图示的示例中，在相邻的光元件112(b)之间的角 度间隔为40度并且环的直径为40mm。在其它情况下，在相邻的光元件(例 如，LED)之间的角度间隔的可以为约2度。在其它情况下，在相邻的光 元件(例如，LED)之间的角度间隔可以是在约2度至40度之间的范围内。 在其它情况下，环的直径可以是在约20mm至40mm的范围内。
在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像***可以包括具有被以 一个或多个同心环(例如，1个、2个、3个等)布置的光元件的圆形可变 照明器。在图3A中，例如，圆形可变照明器110(b)包括以单一的环的 形式的光元件。多环排列的直径可以是在约10mm至约60mm的范围内。 在许多情况下，在每个环中的光元件是等间隔的(由在相邻的光元件之间 的均匀角度差分开)，然而，其它的间距可以被使用。在许多情况下，每 个环将具有不同数目的光元件。在其它情况下，每个环将具有相同数目的 光元件。
使用具有被以一个或多个同心圆布置的光元件的圆形可变照明器，例 如具有等间隔光元件的那些，可以帮助改善重叠信息的均匀性。此均匀性 可能导致相比于来自使用具有以其它布置的光元件的可变照明器的*** 的图像的改善的图像质量。例如，在矩形阵列可变照明器具有元件的矩形 网格排列的情况下，在傅立叶空间中的扩大的区域可能在径向方向上不会 像是均匀的。来自光元件的矩形网格排列的在傅立叶域中的扩大的区域的 示例在图10D中示出。正如可以从与使用以同心环排列的光元件的***相 关联的图3B和3C中的图示中看到的，在傅立叶域中的扩大的区域280基 本上是圆形的，使得在径向向外移动相关联的较高频率中的信息将基本上 是均匀的。相比较而言，在图10D中的与光元件的矩形排列相关联的扩大 的区域基本上是矩形的，使得在较高频率处的信息不会像是均匀的。
在图3A中，每个光元件112(b)被示出为LED，尽管可以使用其它 类型的光元件。在本实施例中，每个光元件112(b)在被点亮时具有辐射 源。如由虚线表示，每个光元件112(b)顺序地并且单独地点亮以提供具 有(kx,ky)的波矢量的照明114。在这种情况下，样本20可以通过由9 个光元件112(b)中的每个提供的照明被从9个不同的入射角照亮。在一 种示例操作中，样本20被在不同的采集时间从9个不同的入射角照亮， 光学***130(b)收集从被照亮的样本20发出的光，物镜透镜134基于 它的接受角过滤从样本发出的光，管透镜将过滤的光聚焦到辐射检测器 140(b)，并且辐射检测器140(b)在采集时间捕捉九(9)个强度图像。
在图3A中，圆形可变照明器110(b)被定位以在透射照明模式下提 供照明114，即照明114被引导通过样本20。在另一种情况下，可变照明 器110(b)可以被定位以在落射照明模式下提供照明，例如，与物镜透镜 134位于样本20的同一侧。
在某些方面中，来自可变照明器的以入射角的照明近似于平面波照明。 通过具有波矢量(kx,ky)的斜向平面波的照明总体上等效于在傅立叶域中 通过(kx,ky)来移位样本的频谱的中心。此处，kx＝k0·cosx(在照明波矢量 和x轴之间的角度的余弦)；ky＝k0·cosy(在照明波矢量和y轴之间的角 度的余弦)；并且在傅立叶空间中的过滤光学元件(例如，在图 3A中的物镜透镜134)的光瞳函数(即相干光学传递函数)可以被描述为具有在此情况下为的NAobj·k0的半径的圆形形状的低通滤波器，其 中，NAobj为过滤光学元件的。因此，由辐射检测器基于具有来自可变照明 器的波矢量(kx,ky)的近似的平面波照明所获取的每个强度图像包含以在 傅立叶域中的约(kx,ky)为中心的样本的频谱信息。采用具有(kx,ky)或 (k0·cosx,k0·cosy)的波矢量的照明，由***所捕捉的图像包含高达 的空间频率信息，其中为该 照明的数值孔径。***的合成NA可以被描述为NAsyn＝NAobj+NAill。
为了超过在可变照明傅立叶重叠关联成像***中的单位一NAsys，各 组件被配置，使得NAobj+NAill总计为大于1。例如，通过使用在图3A中 示出的带有具有9个光元件(例如，LED)的圆形环的圆形可变照明器的 超高NA配置，NAill＝0.70并且采用以具有NAobj＝0.75的物镜透镜(例 如，40X，0.75NA的显微镜物镜透镜)的形式的过滤光学元件，所得的干 式物镜***具有NAsyn＝1.45，同时保留了视场，以及物镜透镜的工作距离。 在另一个示例中，通过使用利用在图3A中示出的具有油浸设置的具有用 于图像采集的100X 1.4NA的物镜和用于照明(通过在可能形成具有NAill＝ 1.4的准直照明的物镜的后焦平面处成像光元件)的另一个100X 1.4NA的 超高NA配置，NAsys可以是高达2.8。
在一些方面中，迭代恢复方法可以被用来拼接在与多个入射角相关联 的这些区域中的每个处的信息，以扩大在傅立叶域中的信息以捕捉在外部 区域处的较高频率的信息并且捕捉信息的均匀地重叠和更宽的区域，这可 能导致样本的较高分辨率的图像。过滤光学元件的固有NAobj的这种扩展 可以产生***的扩大的合成NA。
在本文中所描述的某些超高NA可变照明傅立叶重叠关联成像***中， 过滤光学元件具有相对高的NA，以便捕捉对于每个入射角的较高频率的 信息，其对应于在傅立叶域中的对于每个入射角的更宽的圆形区域，这可 能导致具有比约400nm更好的分辨率的图像。例如，在图3A中示出的带 有可变照明傅立叶重叠关联成像设备110(b)的可变照明傅立叶重叠关联 成像***是一种超高NA配置。在本示例中，物镜透镜134具有相对高的 NA，例如，在约0.6至约0.75的范围内。此外，该可变照明器110(b) 具有成环的九(9)个光元件(例如，LED)。图3B是实施例的示出了对 于在图3A中示出的该超高NA配置的在傅立叶域中的扩展的图示。图3C 是被示出在白色背景上用于澄清某些细节的图3B的图示。
本文中所描述的某些可变照明傅立叶重叠关联成像***使用在角度 上变化的照明以获取有关样本的高频率的信息。在某些情况下，诸如在具 有在图3A中示出的超高NA配置的***的情况下，该***通过使用较大 NA的过滤光学元件且/或通过增加由可变照明器使用的入射角的范围来获 取较高的频率信息。使用迭代恢复过程(例如迭代相位复原过程)，有关 样本的高频率的信息可以被在傅立叶域中“拼接”在一起，诸如在图3B-3C 和3D-3E中所示，这意味着扩大的合成NA和更精细的分辨率已经被在空 间域中产生。
在图3B和3C中，中心圆形区域250代表可以由物镜透镜134(例如， NA＝0.60)捕捉的信息的范围。九(9)个重叠的圆形区域260中的每个 表示由同一物镜透镜134以斜向角度的照明所捕捉的信息的范围。每个重 叠的圆形区域260对应于九(9)个不同的入射角中的一个。圆形区域280 显示由物镜134以(9个)不同的入射角捕捉的信息的范围。作为参考，圆形区域270被示出，以显示由单位一NA物镜捕捉的信息的范围。如图 所示，由物镜134以(9个)不同的入射角捕捉的信息的范围的圆形区域280比单位一NA物镜的圆270更大，即在图3B中示出的配置的NA大于 1.0。即，通过在傅立叶空间中的重叠的圆形区域，合并的区域可以形成大 于1.0的NA。在其中物镜134的固有NA可以低于0.6的配置下，多个 LED可以被布置(要么圆形地要么以方形阵列)，以提供足够的照明角度， 使得在NA＝1.0内部的区可以被在傅立叶域中完全占用。这种配置的一个 示例被参照图3D和3E进行描述。
采用油浸技术，传统的显微镜可以达到1.0的最大NA。使用在超高 NA配置中的可变照明傅立叶重叠关联成像***，诸如带有在图3A中示出 的可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(b)，过滤光学元件的NA是相 对高的并且所得的该***的扩大NA已经被示出超过1.0。
图3D是根据一实施例描绘了在傅立叶域中的对于类似于在图3A中示 出的一个但有具有光元件(在内部的环上的四个元件和在外部的环上的12 个光元件)的两个同心圆(环)的可变照明器110(b)并且有具有0.50 的NA的物镜的超高NA配置的扩展的图示。内部的环具有四(4)个光元 件并且外部的环具有十二(12)个光元件。图3E是被示出在白色背景上 用于澄清某些细节的图3D的图示。
在图3D和3E中，中心圆形区域252代表可以由NA＝0.50的物镜透 镜134捕捉的信息的范围。四(4)个重叠的圆形区域262(对应于可变照 明器的内部的环)代表由NA＝0.50的物镜透镜以四个相应的入射角以斜 向角度照明所捕捉的信息的范围。每个重叠的圆形区域262对应于四(4) 个不同的入射角中的一个。十二(12)个重叠的圆形区域264(对应于可 变照明器的外部的环)代表由NA＝0.50的物镜透镜以12个相应的入射角 以斜向角度照明所捕捉的信息的范围。每个重叠的圆形区域264对应于十 二(12)个不同的入射角中的一个。
圆形区域282显示由具有0.50的NA的物镜134以16个不同的入射 角所捕捉的信息的扩大的范围。作为参考，圆形区域270被示出，以显示 由单位一NA物镜捕捉的信息的范围。如图所示，由以十六(16)个不同 的入射角所捕捉的信息的扩大的范围的圆形区域282比单位一NA物镜的 圆270大。
图4是根据某些实施例的可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(c) 的组件的正交视图的图示。可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(c)是 相对于图1所描述的***10的可变照明傅立叶重叠关联成像设备的超高 NA配置的示例。
在图4中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(c)包括矩形阵列 可变照明器110(c)、具有物镜134(例如，显微镜物镜)和管透镜132 的光学***130(c)和辐射检测器140(c)。在本图示中，物镜134是光 学***130的集光(第一)光学元件。物镜132具有相对高的NA(例如， 在约0.50至约0.75的范围内)。样本20被在检体表面126上示出为被提 供给可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(c)。
在图4中，矩形阵列可变照明器110(c)被定位以在透射照明模式下 提供照明114，即照明114被引导通过样本20。在另一种情况下，可变照 明器110(c)可以被定位以在落射照明模式下提供照明，例如，与物镜透 镜134位于样本20的同一侧。
在图4中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(c)包括可变照明 器110(c)，其具有以具有对应于15×15方阵的225个等间隔光元件的矩 形网格布置的光元件112(c)。其它数目和布置的光元件可以被使用。在 图示的示例中，在相邻的光元件112(c)之间的间隔是在约2度至约40 度的范围内。
在图4中，每个光元件112(c)被示出为LED，尽管可以使用其它类 型的光元件。在这个示例中，在被点亮时每个光元件112(c)具有辐射源。 在操作期间，每个光元件112(c)顺序地并且单独地点亮以提供具有(kx,ky) 的波矢量的照明114。在这种情况下，样本20可以被通过由225个光元件 112(c)中的每个提供的照明从225个不同的入射角照亮。在一种示例操 作中，样本20被在225个采集时间从225个不同的入射角照亮，光学系 统130(c)收集从被照亮的样本20发出的光，物镜透镜134基于它的接 受角过滤从样本发出的光，管透镜将过滤的光聚焦到辐射检测器140(c)， 并且辐射检测器140(c)在225个采集时间捕捉225个强度图像。
图5、图6和7A-7B描绘相对于图1所描述的***10的可变照明傅立 叶重叠关联成像设备的反射模式配置(在落射照明模式下的配置)的组件 的侧视图的示意图。在图5、图6和图7A-7B中示出的可变照明傅立叶重 叠关联成像设备中的每个被配置成将可变照明器定位在成像光学器件的 同一平面(例如，图5)上或该平面的后面(例如图6和图7A-7B)。这些 图示的器件被示出在落射照明模式下。用于带有在落射照明模式下的这样 的设备的***的一些主要应用包括金属或半导体表面检查，包括了半导体 晶片、芯片和/或电子电路板检查，等等。次级应用可以延伸到包括在其中 图1的可变照明傅立叶重叠关联成像***10可以被施加以落射照明的任 何场景，诸如带有修改的闪光灯***的手持式摄像机，或卫星图像。在图 5、图6和图7A-7B中示出的示例可以包括被配置用于超高NA***的组 件。例如，在图7A-7B中的物镜透镜的NA可以具有约0.50的NA。
图5根据某些实施例描绘可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(d) 的组件的正交视图的图示。可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(d)包 括圆形可变照明器110(d)、包括了以成像透镜137的形式的过滤光学元 件的光学***130(d)和具有检测器平面142的辐射检测器140(d)。样 本20被在检体表面126上示出为被提供给可变照明傅立叶重叠关联成像 设备100(d)。
在图5中，成像透镜137具有焦距f、半径r和接受角2θA。成像透镜 137可以具有在约0.60至约0.75的范围内的NA。在图示的示例中，成像 透镜137可以类似于大相机镜头，使得工作距离d0是大的，诸如，例如， 约10-20cm。在其它示例中，可以使用较小的透镜，诸如显微镜透镜，在 这种情况下工作距离d0会更小，诸如，例如，2-3cm。
在图5中，圆形阵列可变照明器110(d)包括被以在每个环之间等间 隔并且包绕中心轴线并且包绕成像透镜137的12个同心环(例如，圆形 的LED环)布置的光元件112(例如，LED)。其它数目的同心环可以被 在其它情况下使用，诸如1，2，3，4，5，6，等等。在该图示的示例中， 光元件112位于成像透镜137的样本平面上。在其它情况下，光元件112 可以处于偏移平面上，但保留在样本20的与成像透镜137的同一侧，以 便在落射照明模式下提供照明。在图示的示例中，各环是彼此以定义为Δr 的径向间距等间隔的。在此图示的示例中，可变照明傅立叶重叠关联成像 设备100(d)具有可变照明器110(d)，其位于在样本20的上方的等于工 作距离d0的距离处，以提供落射照明模式。
在图5中，分辨率可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(d)被示出 在单一照明时间和/或采集时间。此时，可变照明器110(d)的单个光元 件112被激活来以具有(kx,ky)的波矢量的θB的入射角提供照明114。在其 它时间，其它的光元件112可以提供照明。在包括了可变照明傅立叶重叠 关联成像设备100(d)的可变照明器的***的示例操作中，可变照明器110 (d)产生以数量为N的多个入射角至样本20的照明114。成像透镜137 接收来自样本20的在其接收角内的光以过滤该光。光学***130传播过 滤的光至辐射检测器140(d)，其测量强度分布来以不同的入射角捕捉强 度图像。
图示的示例还包括在成像透镜137和辐射检测器140(d)之间的距离 di和在成像透镜137和样本20之间的工作距离d0。在一个示例中，傅立叶 重叠关联成像设备100(d)可以具有以下的相对尺寸：f＝5cm；di7.02cm； d0＝17.3cm；r＝0.25cm；θB＝30度；以及θA＝3度。
图5的可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(d)包括不使光元件位 于成像透镜137的中心的可变照明器110(d)。不用在中心处的光元件， 由具有此照明器110(d)的设备110(d)产生的图像将不包括低空间频率。 在一些应用中，诸如对缓慢变化相位对象的表征，或在需要准确掌握来自 整个对象表面的反射率时，该低空间频率信息可以是有价值的。在图5中 示出的配置具有大的工作距离和带有很少元件的简单的设计。由于该配置 不会收集在低空间频率处的信息，该配置理想地适合于高分辨率的特征或 缺陷的成像，例如，在芯片检测应用。
图6是根据某些实施例的可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(e) 的组件的正交视图的图示。可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(e)的 某些组件类似于在图5中示出的可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(d) 的那些。在图6中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(e)被配置 成捕捉可以由在图5中示出的配置省略的低空间频率。该可变照明傅立叶 重叠关联成像设备100(e)被配置成通过在成像透镜138(成像光学元件) 的另一侧包括分束器139和光元件112(2)的第二较小组的同心环110(e) (2)使得光元件112(2)被引导朝向成像光学器件的图像平面，由此来 捕捉低空间频率。光元件112(2)的第二组被通过成像光学器件聚焦以用 平面波照亮在样本平面上的样本。在某些情况下，在图6中示出的配置包 括比在图5中示出的配置更大的孔径。在图6中示出的配置可以提供大的 工作距离。
在图6中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(e)包括包含第一 组的同心环110(e)(1)和第二组的同心环110(e)(2)的可变照明器、 包括了成像透镜138和分束器139的光学***和具有检测器平面142的辐 射检测器140(e)。样本20被在检体表面126上示出为被提供给可变照明 傅立叶重叠关联成像设备100(e)。图示的示例显示在成像透镜138和样 本20之间的工作距离d0。图示的示例还显示在成像透镜138和辐射检测 器140(e)之间的工作距离di。
分束器139被配置成将以45度角入射至分束器139并且未由分束器 139吸收的照明的一半透射。入射照明(未被吸收)的其余一半由分束器 139反射。例如，分束器139可以由玻璃或带有被设计成相应地控制光的 涂层的其它基板的片材组成。作为另一个示例，分束器可以是具有反射材 料(例如金属)的连续的薄涂层的半镀银反射镜。另一个示例是一种具有 不连续的具有孔的涂层以获得反射与透射的期望的比例的瑞士奶酪式分 束器。
成像透镜138具有焦距f、半径r以及接受角2θA。在图示的示例中， 成像透镜138被配置成通过接受在其接受角2θA内的光来过滤光。可以被 在图示的配置中使用的值的示例是：f＝6cm,r＝1cm，并且θA＝5度。可 以使用其它的焦距、半径以及接受角。为了保持大的透镜采样距离，成像 透镜138具有在约0.1至约0.3的范围内的相对低的NA。在图示的示例中， 成像透镜138具有约0.16的NA，其是相对低的NA(例如，约0.08，约 0.09，约0.10，在约0.07至约0.20之间的范围内，等等)。
在图示的示例中，成像透镜138可以是，例如，具有6cm的焦距f和2cm的半径r的大的相机镜头。如果使用大的相机镜头，可变照明傅立叶 重叠关联成像设备100(e)将具有相应的大的工作距离d0，诸如，例如， 约10-20cm。在其它示例中，较小的透镜可以被使用，诸如显微镜透镜， 在这种情况下工作距离d0将是较小的，诸如，例如，2-3cm。d0＝12cm并 且di＝12cm；可以使用其它的值。
在图6中，在分束器139和第二组的同心环110(e)(2)之间的光路 距离被指定为b并且在分束器139和成像透镜138之间的光路距离被指定 为a。在图示的示例中，该光学***被配置，使得成像透镜138位于距第 二组的同心环110(e)(2)的a+b＝f的合并的光路距离处。
在图6中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(e)的可变照明器 包括光元件的两组的同心环(例如，圆形LED阵列)：第一组的十二(12) 个等间距同心环110(e)(1)(例如，第一LED阵列)和第二组的八(8) 个等距同心圆环110(e)(2)(例如，第二LED阵列)。其它数目的同心 环可以被在其它情况下使用，如1，2，3，4，5，6，等等。第一组的同心 环110(e)(1)包括位于成像透镜138的平面上并且包绕成像透镜138的 光元件112(1)。在其它情况下，光元件112(1)可以处于一个或多个偏 移平面上在样本20的与成像透镜138的同一侧，以被配置用于在落射照 明模式下的照明。第一组的同心环110(e)(1)为以Δr1的均匀径向间距等间隔的。第二组的同心环110(e)(1)为以Δr2的均匀径向间距等间隔 的。第一组的同心环110(e)(1)位于在样本20的上方等于工作距离d0的距离处。
在此图示的示例中，第一组的同心环110(e)(1)包绕成像透镜138 的中心轴，使得该第一组不具有穿过成像透镜138的中心的光元件112(1)。 第二组的第一组的同心环110(e)(1)具有被配置成提供由分束器139反 射通过成像透镜138的照明的光元件112(2)。第二组的同心环的110(e) (2)包括位于其是在距成像透镜138焦距f的合并的光路(a+b)上的平面 上的光元件112(2)。
在图6中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(e)被示出在单一 照明时间和/或采集时间。此时，来自第一组的同心环110(e)(1)的单个 光元件112(1)被示出以具有(kx,ky)的波矢量的θB的入射角提供了照明 114。在其它时间，其它的光元件112(1)或112(2)可以提供照明。如 果光元件112(2)中的一个被点亮，则入射光由分束器139接收。在分束 器139处接收的一半的入射光(而没有被吸收)被反射到成像透镜138， 其传播照明至样本20。由于分束器139传递一半的入射照明，在某些方面 中，光元件112(2)的第二组的同心环110(e)(2)中的每个具有强度约 为光元件112(1)的第一组的同心环110(e)(1)中的每个的光源的强度 的二(2)倍(2×)的光源。在某些情况下，来自光元件112(2)的强度 可以被调整以在与由光元件112(1)提供的入射照明的强度大约相同的样 本20处提供入射照明。
在包括了可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(e)的可变照明器的 ***的示例操作中，可变照明器的光元件112(1)和112(2)产生被以数 量为N的多个入射角引导至样本20的照明。由样本20反射的光被在成像 透镜138处接收。成像透镜138接收在其接收角内的光以过滤该光。成像 透镜138传播入射光至分束器138。来自成像透镜138的一半的入射光被 通过分束器138透射并且被传播至辐射检测器140(e)，其在不同的采集 时间测量强度分布来捕捉以不同的入射角的多个强度图像。
图7A和7B根据某些实施例描绘可变照明傅立叶重叠关联成像设备 100(f)的组件的正交视图的图示。图7A示出该照明方案并且图7B示出 可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(f)的收集方案。可变照明傅立叶 重叠关联成像设备100(f)的某些组件类似于其它图示的其它可变照明傅 立叶重叠关联成像设备的组件。
在图7A和7B中，可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(f)包括包 括了光元件112的十二(12)个同心环110(e)(1)的可变照明器110(f)、 光学***和具有检测器平面142的辐射检测器140(e)。可变照明器110 (f)包括光元件112的十二(12)个同心环110(e)(1)。其它数量的同 心环可以被使用，诸如，例如，1，2，3，4，5，6，7，8，9，......13，14， 15等。最外部的同心环具有宽度w。光学***包括具有焦距f的物镜134 (例如，显微镜物镜)、管透镜132、辅助透镜138和分束器139。尽管物 镜134在此被图示为显微镜物镜，可以使用另一种物镜。样本20被在检 体表面126上示出为被提供给可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(f)。 图示的示例显示在物镜134和样本20之间的工作距离d0。在图示的示例 中，显微镜物镜可以被使用，使得该配置具有短的工作距离，诸如，例如， 2-3cm。一个操作范围可以是用具有～2cm的工作距离的0.08NA 2X的物 镜透镜。另一种可能是用具有～2mm的工作距离的20X 0.5NA的物镜。
在图示的配置中，整个可变照明器110(f)(例如，LED阵列)位于 物镜134(主成像光学元件)的后面，并且辅助透镜130被用来将可变照 明器110(f)成像至物镜的后焦平面。在图7A和7B中，在分束器139 和辅助透镜138之间的光路距离为di1，在辅助透镜138之间的光路距离为 d2，并且在teh分束器139和物镜134的后焦平面之间的光路距离为di2。 在图7A中，可变照明器110(f)的图像136被示出在后焦平面135距物 镜134的背面的焦距F的光学距离处。为了保证可变照明器110(f)的图 像被形成在物镜134的后焦平面135上，光学***的组件被定位，使得光 路距离遵从这个方程：1/f＝1/d2+1/(di1+di2)。图7B还显示从管透镜132 到辐射检测器140(f)的光学距离ds和在从管透镜132到物镜134的背面 之间的光学距离dt。图示的示例包括物镜134，其是2X的显微镜物镜。在 其它示例中，也可以使用其它物镜。可以在图示的配置中使用的值的一个 示例为w＝10cm，d2＝20cm，di1+d12＝2cm，并且f＝1.9cm。可以使用其 它的值。
分束器139被配置成将以45度角入射至分束器139并且未由分束器 139吸收的照明的一半透射。入射照明(未被吸收)的其余一半由分束器 139反射。例如，分束器139可以由玻璃或带有被设计成相应地控制光的 涂层的其它基板的片材组成。作为另一个示例，分束器可以是具有反射材 料(例如金属)的连续的薄涂层的半镀银反射镜。另一个示例是一种具有 不连续的具有孔的涂层以获得反射与透射的期望的比例的瑞士奶酪式分 束器。
在图7A中，分辨率可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(f)被示 出在单一照明时间。此时，可变照明器110(f)的单个光元件112被激活 来以具有(kx,ky)的波矢量的θB的入射角提供照明。在其它时间，其它的光 元件112可以以其它入射的角度提供照明。每个光元件112包括可以以至 样本20的特定的入射角提供照明(例如，近似平面波照明)的光源。
如在图7A中所示，在包括可变照明傅立叶重叠关联成像设备100(f) 的可变照明器的***的操作期间，可变照明器110(f)的不同的光元件112 被在不同的时间点亮。辅助透镜138接收来自点亮的光元件112的照明并 且传播该照明至分束器139。分束器139透射一半的入射光并且反射一半 的入射光。物镜134传播入射光至样本来在不同的时间以数量为N的多个 入射角照亮它。如在图7B中所示，在该***的操作期间，从样本20发出 的光由充当光学***的过滤光学元件的物镜134接收。物镜134传播光至 分束器139，其透射未被吸收的光的一半，并且反射其余部分。管透镜132 接收传递通过分束器139的光并且传播光至辐射检测器140(f)。辐射检 测器140(w)在不同的采集时间测量强度分布来捕捉以不同的入射角的多 个强度图像。
II.可变照明傅立叶重叠关联成像方法
在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像方法包括测量过程、恢 复过程以及可选的显示过程。在测量过程期间，样本被使用可变照明器从 数量为N的多个入射角(θxi,j,θyi,j)照亮，i＝1至n，j＝1至m，(N＝n x m)。 在此过程期间，光学***过滤从照亮的样本发出的光以传播过滤的光至辐 射检测器，并且辐射检测器接收过滤的光并且获取数量为M的多个强度图 像Ik,l，k＝1至o并且j＝1至p，其中M＝o x p。在某些情况下，强度图 像被以每个入射角捕捉。在某些方面中，可变照明器可以被设计成产生以 产生对应于在由傅立叶域中按一定的量的重叠并且还覆盖外部的较高的 频率区的区域的强度数据的一定的入射角的照明。在恢复过程期间，M个 强度图像被在傅立叶域中迭代地合并，以产生较高分辨率的图像数据(强 度和/或相位)。在每次迭代时，过滤器被在傅立叶域中应用用于特定平面 波的入射角，逆傅立叶变换被应用以产生较低分辨率的图像，较低分辨率 的图像的强度被替换成来自辐射检测器的强度的测量结果，傅立叶变换被 应用，并且在傅立叶空间中的相应区域被更新。在可选的显示过程期间， 图像(例如，较高分辨率的图像，获得的强度图像，等等)和/或其它输出 可以被提供在显示器上。总体上，这些方法在两个工作域之间交替：空间 (x-y)域和傅立叶(kx-ky)域，其中k表示波数。
在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像方法可以包括使用角度 分集来恢复复杂样本图像的相位复原技术。恢复过程交替在空间域中获取 的已知的图像数据实施和在傅立叶域中的固定约束。该相位复原恢复可以 被使用各种方法实现，诸如，例如，交替的凸起程序、问题的凸改写或在 两者之间的任何非凸变体。代替对于横向移动样本(即施加平移分集)的 需要，可变照明傅立叶重叠关联成像***使用改变在傅立叶域中的频谱约束的方法来将傅立叶通带扩展到单个捕捉的图像之外，以恢复较高分辨率 的样本图像。
在一些情况下，可变照明傅立叶重叠关联成像方法还可以包括可选的 像差校正过程。像差校正过程的一个示例是重新聚焦(传播)的过程。这 样的重新聚焦过程可以在样本被在z＝z0处的样本平面上放置的地方是有 用的，在那里光学元件的在焦平面位于位置z＝0处。换句话说，从样本 捕捉的图像不是在样本平面上的图像，但是，是按距光学元件的在焦平面 -z0的距离来传播的样本概要。在这些情况下，该方法可以通过按回到样 本平面的z0距离传播图像数据来重新聚焦样本，而不必在z方向上机械地 移动样本。重新聚焦(传播)的步骤可以通过与在傅立叶空间中的相位因 子相乘来执行。
参考某些说明性示例，下标“h”指的是较高的分辨率，下标“l”指的是 较低的分辨率的强度，下标“f”指的是聚焦的位置，下标“m”指的是测量的， 以及下标“s”指的是采样的。
图8是描绘了根据某些实施例的可变照明傅立叶重叠关联成像方法的 步骤的流程图。该方法由可变照明傅立叶重叠关联成像***，诸如，例如 参考图1所描述的***10，来执行。可变照明傅立叶重叠关联成像方法包 括测量过程(步骤1100、1200和1300)、恢复过程(步骤1400和1500) 和可选的显示过程(步骤1600)。
在步骤1100，可变照明器在N个采样时间从数量为N的多个入射角(θxi,j,θyi,j)提供到样本的照明，i＝1到n，j＝1至m。在一些情况下，可变 照明器基于照明指示控制被提供给样本的照明。照明指示可以定义照明角 度的顺序和相关的照明时间。在x和y方向上的波矢量可以被表示为波矢 量kxi,j,kyi,j。
在某些方面中，可变照明器可以在不同的采样时间提供不同波长的照 明。例如，可变照明器可以在不同的采样时间分别提供对应于红、绿、蓝 三种颜色的三个波长λ1、λ2和λ3的RGB照明，例如，在彩色成像的实施 例中。
在一些情况下，可变照明器被配置成提供平面波照明。具有在空间域 中的波矢量kx,ky的平面波照明相当于通过在傅立叶域中将图像频谱的中 心移位(kx,ky)。在该方面中，在傅立叶域中的强度图像数据被通过对应于 由可变照明器施加的入射角(θx,θy)的(kx,ky)来从垂直入射的图像数据移位。
在步骤1200，光学***收集从样本发出的光并且将它传播至辐射检测 器。光学***包括过滤光的过滤光学元件。例如，过滤光学元件可以是收 集从照亮的样本发出的光的物镜透镜。在这种情况下，物镜透镜通过只接 受在数值孔径(NA)内的角度的范围内的光入射来过滤从样本发出的光。 在傅立叶空间中，诸如物镜透镜之类的过滤光学元件的过滤功能可以通过 具有NA x k0的半径的圆形的光瞳来表示，其中k0＝2π/λ是在真空中的波 数。即，可变照明傅立叶重叠关联成像方法可以在傅立叶空间中更新由该 滤波函数和不同的入射角定义的圆形区域。在某些情况下，过滤光学元件 及与其相关的过滤函数省略在圆形光瞳区域外的数据。
在步骤1300，辐射检测器接收由光学***传播的光，并且在M个采 样时间tk，k＝1至M，中的每个捕捉快照的强度分布测量结果，以获取与 不同的入射角相关联的数量为M的多个强度图像Ik,l，k＝1至o并且j＝1 至p。由辐射检测器采样的每个强度图像与在傅立叶空间中的区域相关联。 在很多方面中，可变照明器被配置成从将产生在傅立叶空间中的在邻近 (相邻)区域(例如，圆形光瞳区域)之间的重叠区域的入射角提供照明。 在一个方面中，可变照明器被设计成提供在区域中的一个的面积的2％至 99.5％的邻近区域之间的重叠区。在另一个方面中，可变照明器被设计成 提供在区域中的一个的面积的65％至75％的邻近区域之间的重叠区。在一 个方面中，可变照明器被设计成提供在区域中的一个的面积的约65％的邻 近区域之间的重叠区。
在步骤1400和1500，可以从在步骤1300获取的M个强度分布的测 量结果中产生样本的较高分辨率的图像。M个强度图像Ik,l，k＝1至o并 且j＝1至pp，对应于由照明波矢量kxi,j,kyi,j，i＝1至n，j＝1至m，所索 引的不同的入射角。在步骤1400，较高分辨率的图像：被在空间域 中初始化，并且傅立叶变换被应用到初始值，以获得初始化的傅立叶变换 的图像该初始化的较高分辨率的解可以是初始猜测。该初始猜测可以 被基于这样的假设确定：样本位于出焦平面z＝z0处。在一些情况下，初 始猜测可以被确定为随机复矩阵(对于强度和相位两者)。在其它情况下， 初始猜测可以被确定为具有随机相位的低分辨率强度的测量结果的内插。 初始猜测的示例是和被从样本区的任何较低分辨率的图像中内插的Ih。 初始猜测的另一个示例是恒定的值。初始猜测的傅立叶变换可以是在傅立叶域中的广谱。在步骤1500，样本的较高分辨率的图像通过迭代地合并在 傅立叶空间中的低分辨率的强度测量结果来构建。在许多情况下，步骤 1500的部分可以被使用处理器(例如，***10的处理器210)来实现。
在可选的步骤1600，显示器可以接收图像数据，诸如来自处理器的较 高分辩率的图像数据和/或其它数据，并且在显示器(例如，在图1中的显 示器230)上显示该数据。
-像差校正
在某些方面中，恢复过程步骤1500可以包括将相位图引入到过滤功 能以补偿在迭代的图像恢复过程期间在光瞳平面上的像差的像差校正过 程。根据某些方面，图9是描绘了在图8中可选地包括像差校正过程的图 8的可变照明傅立叶重叠关联成像方法的步骤1500的子步骤的示例的流程 图。在图示的流程图中，可选的像差校正过程包括合并在两个乘法步骤 1610和1645的补偿。步骤1610通过与光瞳函数：的相乘来建模在 实际样本概要和捕捉的强度数据(与包括像差)之间的连接。步骤1645 反转这样的连接，以实现无像差的重建图像。例如，像差校正可以校正样 本散焦。在某些情况下，样本散焦可以基本上等同于将下列散焦相位因子 引入到光瞳平面(即，散焦像差)：
其中，kx和ky是在光瞳平面上的波数，z0为散焦距离，并且NA是过 滤光学元件的数值孔径。
在步骤1605，处理器执行在傅立叶域中的较高分辨率的图像的 过滤以产生对于具有波矢量(kxi,j,kyi,j)的特定平面波的入射角的较 低分辨率的图像较高分辨率的图像的傅立叶变换为并且对于特 定的平面波入射角的较低分辨率的图像的傅立叶变换为在傅立叶域中， 该方法过滤来自较高分辨率的图像的频谱的区域。在用以物镜透镜 的形式的过滤光学元件的情况下，该区域是具有NA*k0的半径的圆形光瞳 孔径，其中k0等于2π/λ(在真空中的波数)，由物镜透镜的相干传递函数 给出。在傅立叶空间中，该区域的位置(例如，圆形区域的中心的位置) 对应于相应的入射角。对于具有波矢量(kxi,j,kyi,j)的斜向平面波入射， 该区域以在的傅立叶域中的位置(kxi,j,kyi,j)为中心。
在可选的步骤1610，处理器可以用在傅立叶域中作为像差补偿的部分 的相位因子相乘。
在步骤1625，逆傅立叶变换被采取，以产生较低分辨率的图像区域
在步骤1630，在在焦平面上的较低分辨率的图像区域的所计算 的振幅分量被替换为由辐射检测器捕捉的低分辨率的强度测量结果 这就形成了更新的较低分辨率的图像：然后，傅立叶变换 被应用到更新的较低分辨率的图像数据。
在可选的步骤1645，逆相位因子被在傅立叶域中应用。
在步骤1650，在傅立叶域中的对应于入射波矢量(kx,ky)的较高分辨 率的解的相应区域被用更新的较低分辨率的图像数据进行更新。
在步骤1660，确定步骤1605至1650是否已经对于与捕捉的图像相关 联的不同的入射角而被完成。如果步骤1605至1650尚未对于这些不同的 入射角而被完成，步骤1605至1650被对于下一个入射角重复。下一个入 射角典型地是下一个相邻的角。在某些方面中，邻近(相邻)区域在傅立 叶空间中重叠并且被迭代地更新(例如，通过对于每个相邻的入射角重复 步骤1605至1650)。在相邻区域之间的重叠区处，存在基于在同一傅立叶 空间的多个采样的数据。来自可变照明器的照明的入射角确定在区域之间 的重叠区。在一个示例中，在邻近区域之间的重叠区是在相应的邻近区域 中的一个的面积的约2％至99.5％的范围内。在另一个示例中，在邻近区 域之间的重叠区是在相应的邻近区域中的一个的面积的约65％至75％的 范围内。在另一个示例中，在邻近区域之间的重叠区是相应的邻近区域中的一个的面积的约65％。在另一个示例中，在邻近区域之间的重叠区是相 应的邻近区域中的一个的面积的约70％。在另一个示例中，在邻近区域之 间的重叠区是相应的邻近区域中的一个的面积的约75％。在某些实施例中， 每个重叠的区域具有相同的面积。
在步骤1670，确定较高分辨率的图像数据是否已经收敛。例如，处理 器可以确定是否较高分辩率的图像数据可以已收敛为自洽。在一种情况下， 处理器将前一次迭代的前面的较高分辨率的图像数据或初始猜测与当前 较高分辨率的数据进行比较，以及如果该差小于一定的值，则图像数据可 以已经收敛为自洽。如果确定该图像数据还没有收敛，则步骤1605至1670 被重复。在一种情况下，步骤1605至1670被重复一次。在其它情况下， 步骤1605至1670被重复两次或更多次。
如果图像数据已经收敛，则在傅立叶空间中的收敛的图像数据被使用 逆傅立叶变换转换到空间域以恢复较高分辨率的图像如果确定该 解已经在步骤1670收敛，则该方法可以进行到可选的步骤1600或该方法 可以结束。
图10A是根据一实施例描绘了在图8中示出的步骤1500的子步骤的 示例的流程图。这些子步骤包括用于校正散焦的可选的像差校正过程。在 图10A中，步骤1500包括步骤1510、步骤1530、步骤1550、步骤1560、 步骤1570、步骤1580和步骤1590。在包括像差校正的方面中，步骤1500 还可以合并在两个乘法的可选的步骤1520和1540的补偿。例如，可选的步骤1520和1540可以被用来对按z0的量出焦的出焦样本进行聚焦。
在步骤1510，处理器执行在傅立叶域中的较高分辨率的图像的 过滤以产生对于具有波矢量(kxi,j,kyi,j)的特定平面波的入射角(θxi,j,θyi,j) 的较低分辨率的图像较高分辨率的图像的傅立叶变换为并且对 于特定的平面波入射角的较低分辨率的图像的傅立叶变换为在傅立叶域 中，该方法过滤来自较高分辨率的图像的频谱的区域。在以物镜透 镜的形式的过滤光学元件的情况下，该区域是具有NA*k0的半径的圆形光 瞳孔径，其中k0等于2π/λ(在真空中的波数)，由物镜透镜的相干传递函 数给出。在傅立叶空间中，该区域的位置(例如，圆形区域的中心的位置) 对应于相应的入射角。对于具有波矢量(kxi,j,kyi,j)的斜向平面波入射， 该区域以在的傅立叶域中的位置(kxi,j,kyi,j)为中心。
在可选的步骤1520，低分辨率的图像被在傅立叶域中传播到在 光学***的z＝0处的在焦平面，以确定在聚焦的位置的低分辨率的图像： 在一种情况下，可选的步骤1520可以通过对低分辨率的图像进行傅立叶变换，用在傅立叶域中的相位因子相乘以及逆傅立叶变换来执 行，以获得在另一种情况下，可选的步骤1520可以通过将低分辨 率的图像与针对散焦的点扩散函数进行卷积的在数学上等效的操作 来执行。在另一种情况下，可选的步骤1520可以通过在执行逆傅立叶变 换以产生之前用在傅立叶域中的相位因子与相乘而被执行为步骤 1510的可选的子步骤。在某些情况下，可选的步骤1520不需要被包括， 如果样本位于过滤光学元件的在焦平面(z＝0)上的话。
在步骤1530，在在焦平面上的较低分辨率的图像的所计算的振 幅分量被替换为由辐射检测器测量的低分辨率的强度测量结果的平方 根这就形成了更新的低分辨率的目标：
在可选的步骤1540，更新的低分辨率的图像可以被反向传播到 样本平面(z＝z0)以确定在某些情况下，可选的步骤1540不需要被 包括，如果样本位于过滤光学元件的在焦平面上的话，也就是，在z0＝0 的地方。在一种情况下，步骤1540可以通过采取对更新的低分辨率的图 像的傅立叶变换，以及在傅立叶空间中用相位因子相乘，以及然后 对它进行逆傅立叶变换来执行。在另一种情况下，可选的步骤1540可以 通过用散焦的点扩散函数卷积更新的低分辨率的图像来执行。在另 一种情况下，步骤1540可以通过在执行傅立叶变换到更新的目标图像上 之后用相位因子相乘而被执行为步骤1550的子步骤。
在步骤1550，傅立叶变换被应用到被传播至样本平面的更新的目标图 像：并且该数据被在傅立叶空间中的对应于入射波矢量kxi,j,kyi,j的较高分辨率的解的相应区域中更新。
在步骤1560，确定步骤1510至1560是否已经对于与捕捉的图像相关 联的不同的入射角而被完成。如果步骤1605至1650尚未对于这些不同的 入射角而被完成，步骤1510至1560被对于下一个入射角重复。下一个入 射角典型地是下一个相邻的角。在某些方面中，邻近(相邻)区域在傅立 叶空间中重叠并且被迭代地更新(例如，通过对于每个相邻的入射角重复 步骤1510至1560)。在相邻区域之间的重叠区处，存在基于在同一傅立叶 空间的多个采样的数据。来自可变照明器的照明的入射角确定在区域之间 的重叠区。在一个示例中，在邻近区域之间的重叠区是在相应的邻近区域 中的一个的面积的约2％至99.5％的范围内。在一个示例中，在邻近区域 之间的重叠区是在相应的邻近区域中的一个的面积的约65％至75％的范 围内。在另一个示例中，在邻近区域之间的重叠区是相应的邻近区域中的一个的面积的约65％。在另一个示例中，在邻近区域之间的重叠区是相应 的邻近区域中的一个的面积的约70％。在另一个示例中，在邻近区域之间 的重叠区是相应的邻近区域中的一个的面积的约75％。在某些实施例中， 每个重叠的区域具有相同的面积。
在步骤1570，确定较高分辨率的图像数据是否已经收敛。例如，处理 器可以确定是否较高分辩率的图像数据可以已收敛为自洽。在一种情况下， 处理器将前一次迭代的前面的较高分辨率的图像数据或初始猜测与当前 较高分辨率的数据进行比较，以及如果该差小于一定的值，则图像数据可 以已经收敛为自洽。如果确定该图像数据还没有收敛，则步骤1510至1560 被重复。在一种情况下，步骤1510至1560被重复一次。在其它情况下， 步骤1510至1560被重复两次或更多次。如果图像数据已经收敛，则在傅 立叶空间中的收敛的图像数据被使用逆傅立叶变换转换到空间域以恢复 较高分辨率的图像如果确定该解已经在步骤1570收敛，则该方法 可以进行到可选的步骤1600或该方法可以结束。
在某些方面中，参照图8所描述的可变照明傅立叶重叠关联成像方法 可以包括参照要么图9要么图10A所描述的可选的像差校正过程。在一个 方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像方法包括用于在图1的可选的步骤 1520和1540中所描述的重新聚焦以重新聚焦的可选的像差校正过程。可 选的步骤1520和1540的重新聚焦特征将来自在焦平面z＝0的图像传播 至在z＝z0处的样本平面。当样本位于在z＝z0处的样本平面上而过滤光学 元件(例如，物镜透镜)的在焦平面位于位置z＝0处时，可能需要重新 聚焦。换句话说，当样本是按z0的量出焦时，可能需要重新聚焦。
图10B和10C是根据一实施例描绘了在透射照明模式下的可变照明傅 立叶重叠关联成像设备100(a)的组件的示意图。傅立叶重叠关联成像设 备100(a)包括可变照明器110(b)是以光元件的二维矩阵(例如，LED 矩阵)的形式。在图10B和10C中，在Xi,j(x’,y’)处的可变照明器110(b) 的单个光元件112被示出为被在图示的采样时间点亮。傅立叶重叠关联成 像设备100(a)还包括光学***130。
在图10C中，样本20被描绘为按-z0的量出焦，并且可选的步骤1520 和1540(这里被描绘为箭头)可以被用来将样本20数字地重新聚焦到在 焦平面122，如由到在焦平面122的虚线所描绘的。在图10C中，样本20 位于在焦平面122上。在这种情况下，可以不需要可选的步骤1520和1540。
图10D是根据一实施例参照图8和10A所描述的可变照明傅立叶重叠 关联成像方法中的步骤的图示。在图10D中的左手侧图像包括在傅立叶空 间中被用来产生较高分辩率的图像区域的两个圆形区域22(a)和图22(b)。 圆形区域22(a)和22(b)可以被基于近似于具有NA*k0的半径的圆形 光瞳函数定义过滤光学元件的NA，其中，k0等2π/λ于(在真空中的波数)。 例如，每个圆形区域22(a)和22(b)可以通过2X物镜透镜0.08NA的 光学传递函数来定义。在图10D中，区域22(a)具有与平面波的入射角 θx＝0；θy＝0，i＝1相关联的圆形低通滤波器的形状：并且区域22(b) 具有与平面波的入射角θx＝-21°；θy＝22°相关联的圆形低通滤波器的形状。 为了在每个入射角执行过滤，在傅立叶域中的圆形区域之外的数据被省略 了，其导致低分辨率的数据。从基于θx＝-21；θy＝22°的平面波的入射角 进行过滤所得到的低分辨率的图像被示出在图10D的右手侧的顶部。从基 于θx＝-21°；θy＝22°的平面波的入射角进行过滤所得到的低分辨率的图像 被示出在图10D的右手侧的底部。在x方向和y方向上的入射角的波矢量 被分别表示为kx和ky。
当实现图10A的更新步骤1550或图9的更新步骤1650时，该方法更 新在对应于垂直入射θx＝0，θy＝0的较高分辨率的重建22(c)的区域22 (a)内的数据。该方法还更新在对应于第n个入射角θx＝-21°；θy＝22° 的较高分辨率的重建的区域22(b)内的数据。各区域被用低分辨率的图 像的测量结果数据进行更新。
-贴片成像
在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像方法可以包括贴片成像 以将捕捉的强度图像分割成多个贴片图像，独立地获得对于贴片中的每个 的较高分辨率的图像，并且然后合并较高分辨率的贴片图像以产生全视场 的较高分辨率的图像。在一些情况下，较高分辨率的贴片图像可以用图像 融合过程进行合并。图像融合过程的一个示例是α融合，其可以被在于1999 年4月7日提交的题为“A system and method for performingblending using an over sampled buffer”的PCT公布WO1999053469中找到，其通过引用以 其整体在此并入。由于贴片的较高分辨率的图像可以被独立地获取，这种 方法可以是非常适合并行计算，这可以减少计算时间，并且还可以降低存 储器需求。而且，来自每个光元件的光可以被精确地视为对于每个贴片的 平面波。对于每个贴片的入射波矢量可以被表示为：
其中，(xc,yc)是全视场的低分辨率的图像的每个贴片的中心位置，(xi,yi) 是第i个光元件的位置，并且h是在可变照明器和样本之间的距离。此外， 在某些情况下，这种方法可以给每个贴片分配特定的像差修正光瞳函数。
图11是根据一实施例描绘了包括贴片成像的可变照明傅立叶重叠关 联成像方法的流程图。这种方法可以通过可变照明傅立叶重叠关联成像系 统如在图1中所示的***10来执行。为了利用并行处理能力，该***的 处理器应该被配置以并行处理能力，诸如，例如，GPU单元或具有多个内 核(即独立的中央处理单元)的处理器。
在图11中，可变照明傅立叶重叠关联成像方法包括测量过程(步骤 1100、1200和1300)、恢复过程(步骤1350，2400(i-M)，2500(i-M)，2590) 和可选的显示过程(步骤1600)。测量过程(步骤1100、1200和1300)和 可选的显示过程(步骤1600)被参照图8进行描述。
在步骤1350，处理器将全视场分割成多个贴片，诸如，例如，贴片的 二维矩阵。贴片的二维方阵的尺寸可以是以二的幂，诸如，例如，256×256 矩阵、64×64矩阵等。在一个实施例中，处理器可以将5,280×4,380像素的 全视场分割成具有150×150像素的区的贴片。
接着，处理器独立地使用并行计算(步骤2400(1)……步骤2400(T)) 来在空间域中为每个贴片(1至T)初始化较高分辨率的图像：傅 立叶变换被应用到初始猜测。在一些情况下，初始猜测可以被确定为随机 复矩阵(对于强度和相位两者)。在其它情况下，初始猜测可以被确定为 具有随机相位的低分辨率的强度的测量结果的内插。初始猜测的示例是 和样本区的任意低分辨率的图像的Ik,l。初始猜测的另一个示例是恒定 的值。初始猜测的傅立叶变换可以是在傅立叶域中的广谱。
在步骤2500(1)...步骤2500(T)，处理器独立地使用并行计算来重 建每个贴片(1至T)的较高分辨率的图像。处理器通过迭代地合并在傅 立叶空间中的低分辨率的强度图像来重建每个贴片的较高分辨率的图像， 如参照在图10A中示出以及本文中所描述的步骤1510、1530、1550、1560 和1570的。步骤1520和1540可以被包括在内，如果样本出焦的话。
在步骤2590，处理器将较高分辨率的图像合并成全视场的较高分辨率 的图像。在某些情况下，合并贴片图像包括融合成像过程，诸如，例如， α融合。
在可选的步骤2600，样本区的恢复的较高分辨率的二维图像的图像数 据被显示在显示器(例如，显示器230)上。在一个方面中，用贴片成像 的方法还可以包括基于在贴片和每个光元件之间的距离将在不同的贴片 之间的入射角的差考虑在内的过程。
-重新聚焦和自动聚焦
传统的高NA显微镜等成像设备典型地具有有限的场深度。例如，带 有具有0.4NA的20X物镜透镜的常规显微镜的场深度为约5微米。用传统 的显微镜，由于其有限的场深度，分辨率随着样本移动远离在焦平面而降 低。为了提高使用传统显微镜的分辨率，操作者典型地移动工作台以机械 地将样本放回焦点。在这方面中，需要精密的机械台来将样本带到具有亚 微米精度的聚焦位置中。
在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像***可以重新聚焦样本 而不机械地移动样本。例如，可变照明傅立叶重叠关联成像方法可以包括 在恢复过程期间重新聚焦出焦样本的步骤。用此重新聚焦过程，可变照明 傅立叶重叠关联成像***还可以将其焦点深度扩展到其过滤光学元件的 物理限制之外。在某些情况下，可变照明傅立叶重叠关联成像***可以能 够自动聚焦样本。
在可变照明傅立叶重叠关联成像***的操作期间，样本平面的z位置 可能不是先验已知的。在某些方面中，可变照明傅立叶重叠关联成像方法 可以包括一个或多个确定样本平面的z位置并且使用这个z位置以在数字 上重新聚焦样本的自动聚焦步骤。例如，关于图10A所描述的可变照明傅 立叶重叠关联成像方法还可以包括在步骤1520期间或之前计算样本平面 的z位置的步骤。可变照明傅立叶重叠关联成像***可以通过使用处理器 来使用计算的样本的z位置来执行在图10A中的步骤1520和1540，来执 行自动聚焦。为了计算样本平面的z位置，该方法可以确定自动聚焦索引 参数。自动聚焦索引由下面的方程定义：
自动聚焦索引：
其中：是来自低通滤波的振幅图像，并且是实际的低分辨率的 测量结果。
在方程4中的总和是用于全部斜向入射角。在可变照明傅立叶重叠关 联成像方法计算估计的样本平面的z位置之后，可变照明傅立叶重叠关联 成像方法可以在数字上重新聚焦到估计的z位置。在一些情况下，较高分 辨率的图像解已经被发现来在使用准确的z位置时收敛更好。
III.子***
图12是可以存在于本文中所描述的可变照明傅立叶重叠关联成像系 统中的子***的框图。例如，可变照明傅立叶重叠关联成像***可以包括 处理器。在一些情况下，该处理器可以是可变照明傅立叶重叠关联成像系 统的组件。在一些情况下，处理器可以是辐射检测器的组件。
先前在附图中所描述的各种组件可以使用子***中的一个或多个工 作，以促进本文中所描述的功能。任何在附图中的组件可以使用任何适当 数目的子***，以促进本文中所描述的功能。这样的子***和/或组件的示 例在图12中示出。在图12中示出的子***被经由***总线2425互连。 附加的子***，诸如打印机2430、键盘2432、固定磁盘2434(或其它包 括了计算机可读介质的存储器)、被耦合到显示适配器2438的显示器230 以及其它子***被示出。耦合到I/O控制器2440的***设备和输入/输出 (I/O)设备可以通过现有技术中已知的任何数目的装置，诸如串行端口 2442，进行连接。例如，串行端口2442或外部接口2444可以被用来将计 算设备200连接到广域网如因特网、鼠标输入设备或扫描仪。通过***总 线2425的互连允许处理器来与每个子***进行通信，并且控制指令来自 ***存储器2446或固定磁盘2434的指令以及在子***之间的信息交换的 执行。在一些情况下，***存储器2446和/或固定磁盘2434可以实施CRM 220。这些元件中的任何元件可以存在于先前所描述的特征中。
在一些实施例中，输出装置，诸如孔径扫描傅立叶重叠关联成像*** 的打印机2430或显示器230，可以输出各种形式的数据。例如，孔扫描傅 立叶重叠关联成像***可以输出2D彩色/单色图像(强度和/或相位)、与 这些图像相关联的数据或与由孔扫描傅立叶重叠关联成像***执行的分 析相关联的其它数据。
修改、添加或省略可以对任何上述实施例做出而不脱离本公开的范围。 上述任何实施例可以包括更多、更少或其它功能，而不脱离本公开的范围。 此外，所描述的特征的步骤可以以任何适当的顺序执行而不脱离本公开的 范围。
应该理解的是，上述的公开的实施例的某些特征可以被使用以模块化 或集成的方式的计算机软件来以控制逻辑的形式实现。基于本文中所提供 的公开和教导，本领域的普通技术人员将知道并且理解来使用硬件以及硬 件和软件的组合实现某些特征的其它方式和/或方法。
在本申请中所描述的任何的软件组件或功能可以被实现为要由处理 器使用任何适当的计算机语言，诸如，例如，使用，例如，传统的或面向 对象技术的Java、C++或Perl，来执行的软件代码。软件代码可以被存储 为一系列指令，或在CRM上的命令，该CRM如随机存取存储器(RAM)、 只读存储器(ROM)、诸如硬盘驱动器或软盘之类的磁性介质或诸如 CD-ROM之类的光学介质。任何这样的CRM可以驻留在单个计算设备之 上或以内，并且可以在***或网络内的不同计算设备之上或以内存在。
尽管上述公开的实施例已经相当详细地进行了描述以便于理解，所描 述的实施例被认为是说明性的而不是限制性的。对于本领域的普通技术人 员将是明显的是，某些变化以及修改可以被在所附权利要求的范围内实践。
来自任何实施例的一个或多个特征可以被与任何其它实施例的一个 或多个特征进行组合而不脱离本公开的范围。此外，修改、添加或省略可 以对任何实施例做出而不脱离本公开的范围。任何实施例的组件可以被根 据特定需要来集成或分离而不脱离本公开的范围。

Claims (10)

1.一种超高NA傅立叶重叠关联成像***，包括：
可变照明器，其被配置成在不同的时间以多个入射角照亮样本；
光学***，其包括具有高NA的透镜，所述透镜被配置成过滤从所述样本发出的光，其中，所述多个入射角和所述高NA对应于傅立叶域中的多个重叠区域，所述多个重叠区域覆盖大于1.0的扩大的NA；以及
辐射检测器，其被配置成获取多个强度图像，每个强度图像对应于所述多个入射角中的不同的入射角。
2.根据权利要求1所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，还包括处理器，所述处理器被配置成通过用强度图像的测量结果来迭代地更新在所述傅立叶域中的所述重叠区域，来产生具有比所述强度图像的分辨率更高的分辨率的图像。
3.根据权利要求1所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所述透镜被配置成通过传递在其接受角内所接收的光来过滤来自所述样本的光。
4.根据权利要求1所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所述过滤光学元件的高NA为约0.50。
5.根据权利要求1所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所述过滤光学元件的高NA为在约0.40至约0.50的范围内。
6.根据权利要求1所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所述可变照明器包括光元件的一个或多个圆形的环。
7.根据权利要求1所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，所述可变照明器包括等距光元件的多个同心环。
8.根据权利要求7所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，每个外环具有比相邻的小直径的环数量更大的光元件。
9.根据权利要求7所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，每个同心环具有至少6个光元件。
10.根据权利要求7所述的超高NA傅立叶重叠关联成像***，其中，每个同心环光元件分开至少约30度。
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