CN101400974B - 微阵列成像系统和相关的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于产生微阵列图像的设备和方法。该设备包括至少一个光源，配置成向微阵列引导光。该设备包括激励滤波器，配置成过滤光进入第一频带到二向色反射镜。二向色反射镜反射该光到微阵列上，从而使微阵列发射电磁能。该设备包括发射滤波器，配置成过滤第二频带内的电磁能。该设备还包括有电荷耦合器件(CCD)的成像单元，CCD有被针孔挡板掩蔽的成像面，因此，当针孔挡板从发射滤波器接收电磁能时，产生整个微阵列的图像。

Description

微阵列成像系统和相关的方法
交叉参考相关申请
本申请要求美国临时申请No.60/780,616的较早申请日权益，该美国临时申请的申请日为2006年3月9日，名称为“Simple ImagingSystem for Applications of Microarrays at Points of Use”，其全部内容合并在此以供参考。
背景技术
分析微阵列的功能通常是作为研究和其他应用的商品化分析工具。这种工具研究分子实体的各种具体相互作用和性质，特别是核酸，蛋白质，碳水化合物，类脂物和无数的专用或一般的结合配位体分子。微阵列的总体尺寸是不同的，但往往是1cm2至1in2的数量级。微阵列包含有序和寻址位置，或单元，或特征，每个特征具有相同探针实体的实际连接的大量复制品。矩形阵列的范围很广，少至约25个不同的特征(如5x5)和多至2,500,000个不同的特征(如1600x1600)，特征尺寸的范围是从1mm至1μm(直径或正方形边长)。
通常，微阵列的加工或制作是利用人工或机器人沉积探针实体到规定的特征位置，或者，利用光化学蚀刻过程，探针实体可以并列在阵列的具体特征位置被重新合成。利用中间探针结构的专有或一般化学或生化性质的优点，探针的新扩展或改动也可适用于探针实体。
一旦组装之后，微阵列代表用于分析与分子目标的简单或复杂混合物的特定或非特定相互作用的复用平台，通常是在表面-溶液界面的媒体中，把这些混合物与微阵列进行实际接触。在目标混合物与固定探针阵列相互作用之前或之后，利用荧光标签或中间结合元素，例如，生物素，可以给目标实体提供一般或专用的标记。或者，借助于与固定阵列面上的探针实体相关的目标或配位体诱发的标记变化，可以监测该阵列上位置特定的相互作用。
在荧光标记的特定语境下，光学成像提供定量估算目标与探针相互作用的范围，阵列上各个特征的路径。多个荧光标记可以提供用于评价相同探针位置上不同目标实体之间相互作用的相对范围。
矩形微阵列格式和基本原理的显著变化是施加悬浮的微球。在这种配置中，每个球的唯一标记是用一个或多个荧光标记，并提供唯一的探针实体用于微球表面上的相互作用分析。作为例子，Luminex Corporation of Austin，Texas提供这种悬浮的微球系统。
利用探针与特定目标实体的相互作用，这些实体具有二次结合到受处理表面的亲和标志，可以分离悬浮的复用混合物微球。此外，探针可以分离顺磁珠。作为例子，Invitrogen Corporation ofCalsbad，California提供商标名称为
Figure G2007800085027D0002144851QIETU
的顺磁珠。区分与混合物隔离的顺磁珠是基于埋入在顺磁珠中的染料标记的荧光签名，它借助于扫描在排列或随机表面上停留的顺磁珠，或悬浮物中各个顺磁珠的直接流量血细胞计数。
荧光微阵列图像数据采集通常是利用机械和光学精密仪器完成的，它具有精确的机械台传输控制和共焦的落射荧光测量，可以在微阵列场上进行逐个像素的取样。通常是，在光电检测器测量每个像素位置上荧光信号的短暂停留时间内，一个或多个激光器用于提供足够的激励照明。这些系统是相当昂贵的，典型的价格是$22k到$180k。
这种扫描检测器系统可用于单个阵列，或自动的串行装入多个分析阵列，或在熟悉的微滴定槽中阵列的高吞吐量机械定位阵列，每个槽中有高达96个微阵列。
当前，需要简化和更经济的配置，从而避免以上的限制。
发明内容
本发明的一个典型实施例是一种用于产生微阵列图像的设备。该设备包括至少一个光源，配置成向有寻址探针的微阵列引导光，该探针至少是在被目标激励的标记上。该设备具有激励滤波器，配置成过滤光进入第一频带，和二向色反射镜，配置成反射第一频带的光到微阵列上，从而使微阵列从被目标激励的标记上发射电磁能，其频率范围是传输通过二向色反射镜的频率范围。该设备包含发射滤波器，配置成过滤第二频带内的电磁能。该设备还包括含电荷耦合器件(CCD)的成像单元，CCD有被针孔挡板掩蔽的成像面，因此，当针孔挡板从发射滤波器接收电磁能时，产生整个微阵列的图像。
本发明的另一个典型实施例是一种用于产生微阵列图像的方法。该方法向到有寻址探针的微阵列和过滤光进入第一频带，引导光，该探针至少是在被目标激励的标记上。第一频带的光被反射到微阵列上，从而使微阵列从被目标激励的标记上发射电磁能，其频率范围是传输通过二向色反射镜的频率范围。该方法还过滤第二频带内的电磁能，并在CCD上形成整个微阵列的图像，CCD有被针孔挡板掩蔽的成像面。
应当明白，以上对本发明的一般描述和以下的详细描述是本发明的典型例子，而不是对本发明的限制。
附图说明
在结合附图参照以下的详细描述之后，可以更好地理解本发明的完整内容及其容易得到的许多伴随优点，其中：
图1是按照说明书包含的本发明的典型实施例成像系统的高级方框图；
图2是点扩展函数(PSF)的图像；
图3是按照图1的LED阵列的图像；
图4是图3的阵列的图像，上部方框是被照明的LED和下部方框是光的漫射；
图5是图1中成像系统的放大图；
图6是光滤波器的滤波器特征曲线；
图7是光滤波器的滤波器特征曲线；
图8是编码孔径阵列的示意图；
图9是另一个典型实施例的成像系统的放大图；
图10是MURA孔径主体盖的图像；
图11是MURA正阵列和MURA负阵列的图像；
图12是反演MURA图像的黑白图像；和
图13是用于产生微阵列图像的典型方法流程图。
具体实施方式
本发明提供一种独立的方法和设备，它是由单独的部件或模块构成以及成像系统整体上作为转键系统的部件，能够进行现场的、近实时的微阵列分析。此外，专业人员知道，这些部件和系统可以有这种应用之外的其他应用。同样地，部件和系统的设计和操作可以进一步小型化和在制作和应用方面的改进。
在一个典型实施例中，成像系统影响无透镜落射荧光成像系统并利用先进的图像去卷积方法。产生的方法和设备提供一种适合于现场和近实时分析染色体微阵列的图像数据采集系统。应用不局限于医学诊断，专业人员还知道在监视和甄别，风险评估和纵向跟踪方面的应用。兽医，农业，环境和生物保护应用往往要求健全和移动的场能力，它能很好地适合于此处描述的进展。以下描述的系统可以容易地应用于近场荧光，冷光和亮场反射成像装置，为了简化，此处省略对它们的描述。
整个阵列成像
图1是按照典型实施例成像系统的高级方框图。该系统一般是用数字100表示，包括：电荷耦合器件(CCD)2，针孔孔径4，照明阵列的发光二极管(LED)6，和微阵列8。在运行中，当微阵列8上的目标被激励时，CCD2俘获微阵列8的图像。例如，照明阵列的LED6照明微阵列8，从而激励微阵列8上的目标。从微阵列8上的被激励目标发射的光传输通过针孔孔径4到CCD2上。
典型的CCD2是高分辨率电荷耦合器件(CCD)，它在单次曝光中产生微阵列8的同时图像。CCD2是由集成电路构成的图像传感器，包含链接或耦合的光敏电容器的阵列作为成像像素。
在俘获微阵列8的图像时，典型的CCD2过取样微阵列8。当CCD2的成像像素数目超过微阵列图像的不同特征数目时，CCD2过取样该微阵列。每个微阵列特征的成像像素数目称之为过取样比。在一个典型实施例中，过取样比的范围是从每个微阵列特征的16(4x4)至100(10x10)个邻接的CCD2成像像素。
作为例子，在1cm2上由100x100＝10,000个不同特征构成的微阵列约有100μm直径(或正方形边长)的特征。这种微阵列的图像投射到有500x500＝250,000成像阱(像素)的1cm2CCD面积上，可以提供每个微阵列特征有可接受的25:1的CCD像素的过取样比。当今具有这种密排20μm像素的CCD通常用于业余，专业和科学照相机和成像装置。具有约300万个15μm像素的1平方英寸CCD可以提供近300:1的过取样比，例如，10,000特征阵列，或1cm2阵列的25:1取样，它具有6μm直径(或正方形边长)的约100,000个特征。
在微阵列图像投射到CCD成像装置上的不同放大倍数下，可能的数据过取样的宽广范围可以提供优化数据采集的机会。
数字过取样的基本原理能使数据采集和分析系统容许矩形网格特征和像素的轻微失准，这些矩形网格特征和像素分别确定微阵列和CCD成像阵列。该模型提供足够的数据密度，能使图像处理技术，例如，旋转矩阵变换实现有效的对准。因此，过取样的简易性能使原始的图像数据处理代替常规微阵列扫描系统的精确机械定位和取向控制。
在这个典型实施例中，具有CCD传感器的数码照相机用于对微阵列成像。在具有Foveon 
Figure G2007800085027D0005144944QIETU
彩色图像传感器的HanVision Product Sheet(2004)HVDUO-10M数码彩色照相机；和Optronics Product Sheet-QuantiFIRE Advanced ScientificGrade[cooled]CCD Imaging for Microscopy中，可以找到适用于成像的数码照相机和CCD的讨论，全文合并在此供参考。
无透镜成像
当今使用的微阵列扫描仪器采用共焦显微镜光学元件，用于聚焦成像在阵列的局部区域平面上的激励光(激光)并从相同的小取样光斑上恢复发射的荧光。这意味着在横跨阵列的xy平面和沿垂直z轴方向扫描的机械和光学复杂性以确保光程在阵列平面上的聚焦。在这个典型实施例中，图1所示的微小针孔孔径4用于代替精确的机械运输控制和精密的显微镜光学元件。
图像分辨率是与针孔孔径4的尺寸成反比。例如，当针孔孔径4的直径减小时，图像分辨率就增大，因为进入孔径的光以较锐的角度弯折。在这个典型实施例中，利用激光穿透薄的箔片可以容易地制成针孔，其尺寸是在1至几百微米的数量级上。这个范围的下限是与以上公开的尺寸和成像技术规格一致。除了物理和机械简单性以外，针孔孔径方案提供非常景深的优点--从阵列面通过孔径到成像CCD的实际距离的微小变化不会影响图像的聚焦质量。
减小孔径尺寸有两个效应。第一，较小的孔径尺寸要求增加曝光时间，而曝光时间是与孔径的面积成反比，为的是有足够的光进入以便在CCD上产生该阵列的定量图像。第二，针孔孔径衍射传输通过该孔径的光，从而在形成的图像中产生模糊图形。
利用图像处理中任何理想的去卷积方法，可以校正原始的数字CCD图像中衍射产生的模糊效应。去卷积是从图像中去除模糊效应的过程。在一个典型实施例中，把原始的数字CCD图像的傅里叶变换与点扩展函数(PSF)的傅里叶变换相乘，并取该乘积的逆傅里叶变换，可以实现去卷积。PSF是描述微阵列平面上的点光源扩展通过该孔径到达CCD成像平面上的模型函数(经验的或理论的)。在以下的公式中说明去卷积方法。
令f(x)代表信号x的傅里叶变换，而f-1(ω)代表信号ω的逆傅里叶变换。R是在CCD成像平面上接收的卷积图像。Y是代表PSF的信号。因此，f(R)是接收图像的傅里叶变换，而f(Y)是PSF的傅里叶变换。接收图像的傅里叶变换与PSF的傅里叶变换的乘积是
f(R)·f(Y)(1)
令I代表去模糊图像。去模糊图像(即，去卷积图像)是傅里叶变换乘积(1)的图像逆傅里叶变换。
I＝f-1(f(R)·f(Y))(2)
PSF的经验模型是容易得到的，它是利用玻璃盖片上商品化荧光着色微球成像到需要成像的微阵列平面上。图2说明光衍射通过针孔孔径到CCD成像平面上的效应。图2表示点光源传输通过针孔孔径到达成像平面上的结果。因此，图2表示经验的PSF。理想地，一个光点应当出现在成像平面上。然而，由于针孔孔径衍射光，在成像平面上出现同心环。同心环的直径取决于光的波长、孔径的尺寸和针孔到成像平面的焦距。对图2所示的图像作傅里叶变换，我们得到PSF的傅里叶变换(即，f(Y))。
一个典型实施例利用PS-SpeckTM Microscope PointSource Kit，它有绿色(505/515)和橙色(540/560)染料标记(激励nm/发射nm)的0.175μm球作为用于确定经验PSF的荧光点源。另一个实施例利用InSpeck-Microscope Intensity Calibration Kits，2.5μm和6.0μm的绿色和橙色微球，每个微球的相对荧光分别为100％，30％，10％，3％，1％和0.3％，作为用于确定经验PSF的荧光点源。
专业人员知道用于提取或预言特定成像系统的点扩展函数的软件实施算法，并利用这些算法进行图像处理去卷积。
高功率LED照明
用于微阵列图像数据采集的常规高性能共焦落射荧光扫描系统利用一个或多个激光器照明微阵列以激励和映射探针或目标荧光团标记。高强度激光束在从一个成像像素串行传输到下一个成像像素的短暂过渡期间提供足够的照明。
这种共焦微阵列扫描仪器的例子是Hampshire，UK的Genetix Corporation制造的aQuire系统。这个系统利用高达3个不同的激光器，用于照明核酸分析中使用的熟知荧光团：532nm/575nm滤波器(Cy3，Cy3.5，Alexa Fluors532，546，555，568，TAMRA)；639nm/695nm滤波器(Cy5，Cy5.5，Alexa Fluors633，647，660，680，BODIPY)；488nm/535nm滤波器(GEP，FITC，Alexa Fluors488，500，514，Cy2和藻红蛋白)。这个共焦系统可以在每平方厘米上约1分钟内以5微米像素分辨率扫描微阵列。
本发明的一个典型实施例利用低成本和长工作寿命的有效高功率发光二极管(LED)6，如图1所示，可以在该阵列的成像曝光到CCD成像器的期间内照明整个阵列表面。现代的LED装置在诸如实时聚合酶链反应(RTPCR)的方法中已被用于标记核酸和蛋白质的定量荧光分析。与激光系统比较，LED装置具有长寿命，低能量要求，较小尺寸，简单电子电路和较少操作故障的优点。LED装置的发射波长适合于微阵列通常使用的荧光标记选项的范围。
作为例子，可以利用任何理想的高功率LED，例如，NewJersey的Lamina Ceramics Corporation生产的高功率LED。图3表示有7个簇(20a，20b，20c，20d，20e，20f，20g)的六边形阵列的IC芯片，每个簇是6个单独LED元件的六边形阵列。每个LED元件被嵌入在陶瓷基片中，它有利于LED热量的直接耗散。
Lamina Ceramics公司生产的B-2000系列的两个典型Lamina LED阵列是合适的，因为它们是在470nm(蓝光)和530nm(绿光)波长附近提供强的窄带宽发射。这些波长有利于从荧光团中引出荧光，通常用于核酸和蛋白质的分析，特别是微阵列应用，RT-PCR和其他的分子生化方法。表1给出特定LED阵列的技术说明
表1
 
系列 照明色 波长范围 额定功率 光通量
BL-22B1-0140 蓝色 470±5nm 4.5W 28流明
BL-22C1-0141 绿色 525±10nm 4.3W 78流明
BL-21E0-0131 琥珀色 589±7nm 13.7W 290流明
BL-21A0-0121 红色 618±5nm 13.6W 270流明
澳大利亚的Corbett Robotics制造实时PCR仪器(RotorGene-3000)，该仪器采用激励波长为470nm，530nm，585nm，和625nm的多个LED(对应于以上的Lamina LED)，进行复用荧光测量，利用通常使用的核酸染料标记，包括Sybr-Green I，Farn，Tet，Joe，Vic，Max，Rox，Tamra，Cy3，Cy5，Cy5.5，TexasRed。
借助于(1)耗散LED产生的热量，和(2)在待成像阵列上光强的均匀分布，可以提高LED装置的性能。在一个典型的实施例中，LED设计在陶瓷基片内安装小LED元件(小于1mm2)的阵列，有利于热量从该装置转移到所附散热片的导热面。
光从这种阵列中每个LED元件的色散可以在与光源的增大距离上提供十分简单的朗伯分布。
在LED阵列与受照微阵列之间放置全息漫射器可以在该阵列上提供更均匀的照明强度。图4画出Lamina Blue LED阵列。图4的上部方框表示Lamina Blue LED阵列(Nikon D70)通过260μm针孔孔径的直接成像。下部方框表示在相同配置下成像相同的LED阵列，但在LED阵列与针孔孔径之间插入40°圆形全息漫射器元件(Edmond Industrial Optics，New Jersey)。下部方框说明全息漫射器均匀地漫射来自LED阵列的照明。因此，单个LED是不可见的。
当每个LED空腔的光色散设计远远宽于LED光源本身的孔径聚焦图像时，该典型实施例能够处理最坏情况的阵列照明。
用于映射微阵列上荧光的相同CCD成像系统可以配置成测量从阵列表面反射的入射光，并在激励光强度作为与照明场的中心点距离的函数而变化时，支持CCD荧光图像的计算校正。
图5表示一个典型实施例的完整成像系统100。作为例子，如图5所示，有CCD成像平面116和检测器116a的典型CCD照相机用作成像装置，在照相机的表面上有针孔孔径(代替安装的透镜系统)。作为例子，从孔径到CCD平面116的典型距离约为50mm，可比较的工作距离包含从微阵列到孔径的光程。
按照本发明一个典型实施例，从平面114上的中间针孔孔径到阵列平面102与CCD平面116之间的物理距离保持相同，为的是在CCD成像平面116的实际尺寸内包含微阵列102的整个图像。相等距离的一些变化可能是有利的，它可以有效地放大或缩小该阵列在CCD平面上的图像。如以上所讨论的，针孔孔径的优点是，它的聚焦质量与图像源到孔径的工作距离无关。
LED照明阵列104通过全息漫射器106和激励滤波器108照明微阵列102。如以上所公开的，全息漫射器106增大从LED照明阵列发射的电磁辐射的照明强度均匀性。作为例子，1至2英寸的工作范围可以与落射荧光显微镜中安装的约1in3立方体光滤波器组尺寸一致。这种滤波器立方体可以在该立方体的一个表面上提供激励带通滤波器108，用于照明光场的进入(在本发明中是从LED阵列104)。激励滤波器108允许所需波长的照明光传输通过到二向色反射镜110和微阵列102。利用内部安装的相对于入射光束成45度的二向色反射镜110，入射光束被内反射到该立方体的一个垂直开放面。
如图5所示，微阵列102的平面放置成与立方体开放面对准和邻近，它可以从LED照明器104接收反射的入射光。把位于微阵列表面102的荧光目标102a当作点光源处理，具有特定荧光团的发射波长特性。沿照明光束相反方向的荧光(返回进入立方体)遇到相同的二向色反射镜110，在这种情况下，它对于比激励光长的荧光波长是透明的。当荧光离开立方体时，它传输通过与微阵列102相反的立方体表面上的发射带通滤波器112。在这个例子或原型中，成像系统的表面114上的针孔孔径放置成与发射滤波器112紧邻。
图6和7是说明本发明一个典型实施例中所用的两个落射荧光滤波器的滤波器特性。按照本发明一个典型实施例，纽约SemrockCorporation的两个产品-FITC和TRITC滤波器组可以分别与Lamina Blue(470nm)(图6)和Green(525nm)(图7)LED照明阵列结合使用。表2说明该滤波器组的特性。
表2
 
激励 二向色 发射
FITC组(470nm) 460nm-500nm 506nm 515nm-555nm
TRITC组(525nm) 475nm-545nm 555nm 560nm-580nm
在本发明的另一个典型实施例中，检测器模型包含利用不同滤波器立方体和LED照明器的相同微阵列的串行成像，利用目标混合物上多个荧光团标记与相同微阵列的相互作用。明智地选取激励和发射滤波器和二向色反射镜，并与彩色成像CCD阵列结合使用，也可以支持同时分析多个荧光团标记。
若典型的微阵列制作在透明玻璃幻灯片上，或最好是薄的玻璃盖片，则该阵列可以由反射镜面支持。这可以形成入射光束的第二个通道，它通过阵列面上的荧光目标，从而使来自目标的荧光信号的有效照明加倍。荧光信号的背反射还有可觉察的优点，否则它可能避开检测。然而，由于阵列面上点光源的折射和角分集，后者的信号可能使CCD平面上的荧光图像质量降低。这种在理论上的四重信号增强方法的实用性是有待确定的。应用附加的去卷积图像处理步骤或落射荧光通道上的附加光滤波元件，可以实现这个实际的优点。
无快门曝光控制
一种设计考虑是减小机械复杂性(移动部件)。一个典型实施例利用原型成像的数码照相机。在另一个实施例中，采用高分辨率CCD成像阵列，它可以提供较大数目成像像素，和Peltier冷却以降低CCD元件的暗电流和背景的特征。在这种情况下，这些优点超过使用数码照相机，特别是SLR型照相机。若CCD包含光学元件，则它仅仅曝光在来自滤波器立方体的低强度荧光，且只有荧光微阵列是在入射光束的照明下。由于预期通过针孔孔径的曝光是有足够的持续时间(几秒至几分钟)，可以采用虚拟的电子快门(非机械式)。代替SLR内反射镜的机械翻转，给CCD的电子信号可以到达剩余或背景电荷累积的阵列，并有效地重新启动光子收集(虚拟快门，没有移动部件)。
编码孔径阵列
如上所述，天文学，显微术和层析X射线成像已采用去卷积图像处理，用于消除通过微小孔径的分辨率受限衍射产生的模糊。这些系统中的一些系统不能修正成像的光折射，包括X射线望远镜术或利用单光子发射计算层析术(SPECT)的近场成像。这些应用的方法已发展到采用编码孔径阵列，它在成像分辨率和减小曝光时间方面具有良好的结果。
图8表示一个典型实施例的编码孔径阵列。图8中的概念是，针孔孔径的阵列-随机或准随机，作为(修正的)均匀冗余阵列((M)URA)布局-卷积或叠加通过每个针孔观察到的图像源。光源8，例如，微阵列中的激活目标，传输通过编码孔径阵列142到检测器144。检测器144是任何理想的成像装置，例如，CCD。
在检测器144上形成的图像是传输通过编码孔径阵列的卷积图像。形成的图像是模糊的，因为检测器是从多个针孔接收光。任何理想的图像去卷积技术可用于去模糊形成的图像。例如，令f(R)代表在传输通过编码孔径阵列之后卷积图像的傅里叶变换，而M代表编码孔径阵列的反演掩模和f(M)代表反演掩模的傅里叶变换。若I等于去卷积图像，则
I＝f-1(f(R)·f(M))(3)
如以上公式所说明的，不知道编码孔径阵列的具体反演掩模，就不能去卷积(即，去模糊)图像。因此，编码孔径阵列的反演掩模可以作为加密图像的瞬时光学加密密钥。
在一个典型实施例中，编码孔径阵列被设计成它本身的反演。用于产生其本身反演的编码孔径阵列和去模糊图像的方法是在Gottesman，S R and Fenimore，E E(1989)：“New family of binaryarrays for coded aperture imaging”，Appl.Optics28，4344-4355；和Vanier(1973)：“Improvements in coded aperture thermal neutronimaging”，BNL-71468-2003-CP中所描述的，全文合并在此供参考。还可以在以下的文献中找到对编码孔径阵列的讨论，Fenimore，E E(1978)：“Predicted performance of uniformly redundant arrays”，Appl.Optics 17，3562-3570；Fenimore，E E(1980)：“Coded apertureimaging：the modulation transfer function for uniformly redundantarrays”，Appl.Optics 19，2465-2471；Fenimore，E E and Cannon TM(1978)：“Coded aperture imaging with uniformly redundantarrays”，Appl.Optics 17，337-347(还有US Patent No.4,209,780，相同的标题和发明人)；Accorsi，R(2001)：“Design of near field codedaperture camera for high-resolution medical and industrialgamma-ray imaging”，博士论文，MIT，Cambridge，MA；和Accori，R，Gasparini，F and Lanza，RC(2001)：“A coded aperture forhigh-resolution nuclear medicine planar imaging with a conventionalAnger camera：experimental results”，IEEE Trans Nuc Science48，2411-2417，全文合并在此供参考。
与编码孔径阵列掩模反演的傅里叶变换基卷积可以得到图像重建，其分辨率接近于编码孔径阵列的单个针孔元件的极限尺寸。此外，(原始)图像曝光时间的减小是与掩模中孔径的数目成正比。
图9表示另一个实施例的成像系统200。成像系统200包括：微阵列202(有目标202a)，LED照明阵列204，全息漫射器206，和激励滤波器208，二向色反射镜210，和发射滤波器122，和有检测器216a的CCD成像平面216。这些器件的功能类似于在图5中所描述的对应器件的功能。成像系统200利用编码孔径阵列代替图5中的针孔孔径114。
典型的编码孔径阵列是211x211单元(开放或闭合)的(M)URA，它提供近50％的开放空间和22,000倍的单元件孔径的光收集本领。
在本发明的范围内，借助于高分辨率黑白或彩色胶片的缩小，作为打印编码孔径阵列的正图像或负图像，制作预期应用的(M)URA或其他设计的编码孔径阵列。这种方法超出当今使用的普通数字打印机的分辨率极限(在1400dpi下约25g)，可以达到熟知的缩微胶片/缩微胶卷基片的较细分辨率(1至5μm)。
在本发明中应用缩微胶片作为生产编码孔径阵列的基片类似于在MEMS制造中制作光刻掩模的低成本方法。MEMS的描述是在Dotson，N A，Kim P T，and Mason，A(2004)：“Low costMEMSprocessing techniques”，Proceedings of the2004ASEE/NCSSpring Conference，April(2004)，全文合并在此供参考。
此外，利用彩色透明胶片生产孔径掩模可以在本发明领域中提供这样的机会，用于一次或二次集成光(发射)滤波通过孔径阵列的不同透明开放空间。
在本发明以及其他的应用中，这可以看成是生产这些元件在经济上可行和质量得到保证的途径。还注意到，在制造具体微阵列中使用的光刻掩模与本发明范围内编码孔径阵列的设计基本上具有类似的规模和复杂性。
原始图像数据转换成判定质量信息
按照发明的一个典型实施例，任何所需的CPU处理器通过任何理想的接口连接到CCD。CPU处理器有存储器装置，用于存储PSF的经验模型和编码孔径阵列的反演掩模。CPU可以在CCD俘获的任何图像，PSF的经验模型，或编码孔径阵列的反演掩模上运行完成傅里叶变换或任何其他理想算法的软件或固件。
同样地，专业人员知道，可以采用任何数目的数据处理器，例如，可编程逻辑ASICS，个人计算机等。一个典型实施例利用在成像系统中的数字信号处理器(DSP)芯片，可以在CCD俘获的任何图像，PSF的经验模型，或编码孔径阵列的反演掩模上计算傅里叶变换，或任何其他理想的算法。
MURA孔径-主体盖的制备
如图10所示，给标准的黑色塑料主体盖240的正面拍照。Microsoft Powerpoint中的数字图像被放大，画出的叠加圆与主体盖图像有相同的直径。在打印的复制品上，圆的几何中心是由两条割线的交点确定。尖锐的钢穿孔器用于指引在主体盖中钻孔的中心。针孔孔径是用240a表示。把主体盖夹紧到木制的工作面上，低速设置以防止熔化的Dremel手工工具钻透主体盖并以1/16英寸和1/32英寸的增量逐渐扩大中心孔。选取的最终直径略大于需要安装的MURA元件的对角线。利用锥形石或1/8”导向镂铣刀具以及Dremel手工工具，把孔径的前边缘切割成斜面。专业人员知道，标准的照相机主体盖是不需要的，而是为了便于描述。
在另一个实施例中，CCD装置是被有针孔孔径或编码孔径阵列的任何理想表面掩蔽，例如，它们分别是图5所示的元件112和图9所示的元件212。有针孔孔径的任何表面称之为针孔挡板。
一个典型实施例利用Mathematica(v5.2)程序以构造和代表正方形MURA孔径阵列作为数字图像，按照Gottesman和Fenimore(1987)提供的显式算法描述(以上引用)。导数图像是利用黑白反转构成的，且这个图像的中心是在4英寸x6英寸的白色矩形内。在大矩形的中心有正方形MURA，其尺寸通常被调整到代表阵列中每个正方形孔径元件为0.01英寸，0.02英寸或0.03英寸。在把复合的矩形和中心MURA图像拍摄到黑白负片上时(见以下描述)，约4倍缩小的矩形尺寸分别在60μ，120μ和240μ的薄膜上形成孔径元件尺寸。
图11表示37x37单元MURA正阵列250。该阵列包含黑色背景250a和有白色背景的对应负阵列250b。负图像正方形的尺寸分别被缩小到约为2.22mm，4.44mm和8.88mm的边长。因此，这些正方形MURA图像的对角线分别约为3.14mm，6.28mm和12.56mm。然后，给这些薄膜负片图像确定中心位置，并被安装到开孔直径分别约为1/8英寸，1/4英寸和1/2英寸的主体盖上。
MURA孔径阵列的薄膜图像
利用60mm Nikkor MICRO镜头，以及慢速Ilford Delta100(ISO100)35mm黑白负片，拍摄反演MURA图像的黑白图像(Nikon N80照相机)。在离照相机约为40cm的复制台上有四个5200K照相散光灯泡照明打印的MURA反演图像，且镜头孔径f8的曝光速度设置是围绕灰板计量速度约为1/120秒进行分组。利用黑白D71过程对胶片进行人工方法显影，延长搅拌时间以提高对比度。得到黑色不透明度和白色透明度的最佳结果，曝光时间通常是大于灰板计量的二至三倍，即，在f8下约1/60秒。较长的曝光时间增大黑色不透明度，但是也导致增大灰色调和损失白色孔径的透明度。
图12表示在HP officejet5500v上以9600dpi扫描的负片图像。上部方框260a分别表示在1/180秒，1/120秒和1/90秒的分组曝光。下部方框260b详细地展示在1/120秒下放大的灰板计量曝光。圆形代表在安装MURA图像的Nikon主体中的1/2英寸开孔。
MURA孔径阵列的选取负片图像是在幻灯片的四角进行修整，使它适合于Nikon BF-1A主体盖的背上37.5mm直径内平面圆的中心。40mm的安装圆盘是从黑色聚苯乙烯薄片上切下的(Evergreen Scale Models，Woodinville，VA；薄片厚度为0.25至0.5mm)，从该薄片上切下中心孔，并使它与主体盖上的中心孔匹配。修整的薄膜负片的中心是在主体盖上，并用聚苯乙烯圆盘覆盖，然后，再在它的周边用少量塑料粘合剂固定。
在另一个实施例中，利用任何理想的计算机设计(CAD)程序，实施通过Mathematica程序设计的编码孔径阵列。利用在CAD程序中实施的设计，把编码孔径阵列蚀刻到光刻掩模。然后，把光刻掩模放置在照相机的主体盖上。在一个典型实施例中，光刻胶掩模是面积为1cm2的光刻胶晶片。在光刻胶晶片中心的3mm2面积上蚀刻编码孔径阵列，其针孔的直径为100μm。
图13是说明产生微阵列图像的典型方法流程图。步骤300是从光源发射光。步骤302过滤射出的光进入第一频带。步骤304反射第一频带的光到微阵列上，从而使微阵列发射电磁能。步骤306过滤第二频带内的电磁能。步骤307引导光通过针孔挡板掩模。在另一个实施例中，步骤307引导光通过有编码孔径阵列的表面。步骤308是在CCD上形成微阵列的图像。
流程图中的任何过程描述或方框应当理解为代表模块，程序段，部分代码，它包含一个或多个可执行的指令，用于实施特定的逻辑功能或过程中的步骤，而其他的实施方案包含在本发明典型实施例的范围内，其中功能的执行是与所示或讨论的顺序不同，包括基本同时进行或沿相反的顺序，因为专业人员明白，它取决于所涉及的功能。
显然，根据以上的内容，对本发明的各种改动和变化是容易的。所以，应当明白，在所附权利要求书的范围内，实践本发明可以不同于此处具体的描述。例如，利用软件和硬件交互式协作所描述的内容，可以想象，此处描述的系统完全可能利用软件实现。软件可以体现在载体上，例如，磁盘或光盘，或射频或音频载波。
因此，以上的讨论仅仅公开和描述本发明的典型实施例。专业人员应当明白，在不偏离本发明精神或重要特征的条件下，本发明可以有其他的特定形式。因此，本发明的公开内容是说明性的，而不是限制本发明的范围，以及其他的申请内容。包括此处能够容易识别的变化的公开内容部分地限定以上申请术语的范围，因此，没有专用于公众的本发明主题。

Claims (18)

1.一种用于产生微阵列的图像的设备，包括：
至少一个光源，配置成向有寻址探针的微阵列引导光，该寻址探针具有被目标激励的至少一个标记；
激励滤波器，配置成过滤光进入第一频带；
二向色反射镜，被配置成反射第一频带的光到微阵列上，从而使微阵列从被目标激励的标记上发射电磁能，其频率范围是传输通过二向色反射镜的频率范围；
发射滤波器，配置成过滤第二频带内的电磁能；和
成像单元，包含电荷耦合器件CCD，该CCD有被位于该CCD与该二向色反射镜之间的针孔挡板掩蔽的成像面，使当针孔挡板从发射滤波器接收电磁能时，产生整个微阵列的图像，其中
该微阵列与该成像单元之间的光路被顺序安排有该二向色反射镜、该发射滤波器和该针孔挡板，并且
该微阵列与该针孔挡板之间的物理距离等于该成像单元与该针孔挡板之间的物理距离。
2.按照权利要求1的设备，还包括：
数据处理器，配置成接收整个微阵列的图像，并且通过把整个微阵列图像的傅里叶变换与点扩展函数的傅里叶变换相乘完成图像去卷积，点扩展函数是阵列平面上的点光源通过针孔挡板扩展到CCD成像平面上的模型。
3.按照权利要求1的设备，还包括：
位于该至少一个光源与该激励滤波器之间的全息漫射器；和
该全息漫射器配置成增大从该至少一个光源发射的光的照明强度的均匀性。
4.按照权利要求1的设备，其中该针孔挡板是有针孔孔径的透镜盖。
5.按照权利要求1的设备，其中CCD还配置成接收电子信号，因此，CCD充满电荷累积。
6.按照权利要求1的设备，其中CCD还包含多于微阵列中多个特征的多个成像阱。
7.按照权利要求4的设备，其中CCD的成像阱数目与微阵列的特征数目之比至少是25∶1。
8.一种用于产生微阵列的图像的设备，包括：
至少一个光源，配置成向有寻址探针的微阵列引导光，该寻址探针具有被目标激励的至少一个标记；
激励滤波器，配置成过滤光进入第一频带；
二向色反射镜，被配置成反射第一频带的光到微阵列上，从而使微阵列从被目标激励的标记上发射电磁能，其频率范围是传输通过二向色反射镜的频率范围；
发射滤波器，配置成过滤第二频带内的电磁能；和
成像单元，包含电荷耦合器件CCD，该CCD有被有位于该CCD与该二向色反射镜之间的编码孔径阵列的表面掩蔽的成像面，使当编码孔径阵列从发射滤波器接收电磁能时，产生整个微阵列的图像，其中编码孔径阵列是修正的均匀冗余阵列MURA，其中
该微阵列与该成像单元之间的光路被顺序安排有该二向色反射镜、该发射滤波器和该MURA，并且
该微阵列与该MURA之间的物理距离等于该成像单元与该MURA之间的物理距离。
9.按照权利要求8的设备，其中该设备还包括：
数据处理器，配置成接收整个微阵列的图像，并且通过把整个微阵列图像的傅里叶变换与编码孔径阵列反演的傅里叶变换相乘，完成图像去卷积。
10.按照权利要求8的设备，其中该MURA的尺寸至少是211x211个单元。
11.按照权利要求8的设备，其中编码孔径阵列配置成包含其本身的反演。
12.按照权利要求8的设备，还包括：
位于该至少一个光源与该激励滤波器之间的全息漫射器；和
全息漫射器配置成增大从该至少一个光源发射的光的照明强度的均匀性。
13.按照权利要求8的设备，其中在产生微阵列的图像时，CCD成像面与编码孔径阵列之间的第一距离等于微阵列平面与编码孔径阵列之间的第二距离。
14.按照权利要求8的设备，其中该CCD还包含多于微阵列中多个特征的多个成像阱。
15.按照权利要求14的设备，其中该CCD的成像阱数目与微阵列的特征数目之比至少是25∶1。
16.一种用于产生微阵列图像的方法，包括：
向有寻址探针的微阵列引导光，该寻址探针具有被目标激励的至少一个标记；
过滤光进入第一频带；
由二向色反射镜反射第一频带的光到微阵列上，从而使微阵列从被目标激励的标记上发射电磁能，其频率范围是传输通过二向色反射镜的频率范围；
由发射滤波器过滤第二频带内的电磁能；和
在电荷耦合器件CCD上形成整个微阵列的图像，该CCD有被位于该CCD与该二向色反射镜之间的针孔挡板掩蔽的成像面，其中
该微阵列与该CCD之间的光路被顺序安排有该二向色反射镜、该发射滤波器和该针孔挡板，并且
该微阵列与该针孔挡板之间的物理距离等于该CCD与该针孔挡板之间的物理距离。
17.一种用于产生微阵列图像的方法，包括：
向有寻址探针的微阵列引导光，该寻址探针具有被目标激励的至少一个标记；
过滤光进入第一频带；
由二向色反射镜反射第一频带的光到微阵列上，从而使微阵列从被目标激励的标记上发射电磁能，其频率范围是传输通过二向色反射镜的频率范围；
由发射滤波器过滤第二频带内的电磁能；和
在电荷耦合器件CCD上形成整个微阵列的图像，该CCD有被有位于该CCD与该二向色反射镜之间的编码孔径阵列的表面掩蔽的成像面，其中编码孔径阵列是修正的均匀冗余阵列MURA，其中
该微阵列与该CCD之间的光路被顺序安排有该二向色反射镜、该发射滤波器和该MURA，并且
该微阵列与该MURA之间的物理距离等于该CCD与该MURA之间的物理距离。
18.一种用于光学加密的方法，包括：
由二向色反射镜反射过滤进入第一频带的光到目标上；
通过发射滤波器和被位于电荷耦合器件CCD与二向色反射镜之间的编码孔径阵列掩蔽的表面从该目标上接收光；和
在该CCD上形成该目标的图像，该CCD有成像面，该编码孔径阵列配置成加密在该CCD的成像面上的图像，其中该编码孔径阵列是修正的均匀冗余阵列MURA，其中
微阵列与该CCD之间的光路被顺序安排有该二向色反射镜、该发射滤波器和该MURA，并且
该微阵列与该MURA之间的物理距离等于该CCD与该MURA之间的物理距离。
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