CN1249810A - 共焦干涉显微镜的背景补偿 - Google Patents

Abstract

一个系统在测量在焦像时能把在焦像从离焦像分离出来,从而既减小了系统误差又减小了统计误差。该系统从一个点光源(10)产生一个探测光束(P22B)和一个参考光束(R22B),并在参考光束(R22B)中产生反对称的空间性质。作为把探测光束(P22B)导引成一个在焦像点(28)的结果,产生了一个在焦返回探测光束(P32A),然后在在焦返回探测光束(P32B)中产生反对称的空间性质。使参考光束(R32C)与一个来自一个离焦像点(58)的光束发生干涉,还使参考光束(R32C)与在焦返回光束(P32C)发生干涉。参考光束(R32D)被一个单像素探测器(114)以参考光束(R32D)的振幅的平方的形式探测,在焦返回探测光束(P32D)被探测器(114)以返回参考光束(R32D)与在焦返回探测光束(P32D)之间的一个干涉项的形式探测。离焦像光束(B52D)的振幅被大为减小,结果同时减小了由探测器(114)所产生的数据中的系统误差和统计误差。在所说明的实施例中,来自离焦像点(58)的光束是离焦返回探测光束(B52D)。

Description

共焦干涉显微镜的背景补偿

本发明的领域

本发明涉及光学、声学和电子成橡，包括利用这些图像来对生物、集成电路和其他样品进行精密测量。

本发明的背景

本申请与H.A.Hilt(希尔)、P.H.Oglesby(奥格莱斯比)和D.A.Ziebell(齐贝尔)共同提出的待审批专利申请有关，该待审批申请的标题为“Method and Apparatus for Discriminating in-focusImages from Out-of-Focus Light Signals from Background andForeground Light Sources(从由背景光源和前景光源产生的离焦光信号中鉴别出在焦像的方法和设备)”流水号为08/658,365，递交日期为1996年6月5日，代理人登记号为5391-A-03，该待审批申请的全部内容专门在此引用作为参考。

本发明涉及快速、精确地产生一个物体或其截面的在焦像的技术，其中来自离焦前景和/或背景光源的光信号对统计误差和系统误差的影响大部分已被消除。

共焦显微镜和共焦干涉显微镜例如在生命科学、生物样品研究、工业检验和半导体计量等领域有许多应用。这是因为这些仪器具有独特的三维成像能力。

或许当离焦像造成的背景明显强于在焦像信号时将遇到最困难的多维成像。当研究厚样品时，特别是当共焦系统工作于反射模式而不是透射模式时，这种情况常常会出现。

有两种一般的方法可以确定三维显微镜样品的体特性。这两种方法是基于普通显微镜和共焦显微镜的。一般地说，相对于共焦显微镜方法而言，普通的显微镜方法获取三维图像的数据所需的时间较短，但处理这些数据所需的时间较长。

在普通的成像系统中，当被成像物体的某一部分沿轴向偏离其最佳聚焦位置时，像的对比度将下降但其亮度却保持不变，所以像中的偏离、非聚焦部分将对物体的聚焦部分的观察产生干扰。

如果已知系统的点扩散函数，并且获得了物体每个独立断面的像，则可以对这些像应用已知的计算机算法来有效地除去离焦光所贡献的信号，产生仅含在焦数据的图像。这些算法叫做“计算机退卷积”，有几种不同的类型，为了获得所希望的统计精度，一般需要昂贵的计算机设备，很长的计算时间和大量的数据。

宽场方法(WFM)利用一个普通的显微镜相继地获取整个感兴趣体积内的一组相邻焦平面的像。每个像都用一个致冷的电荷耦合器件(CCD)图像传感器记录，其中包含同时来于在焦像面和离焦像面的数据。关于WFM请参见：D.A.Agard(阿加德)和J.W.Sedat(塞达特)的论文“three-dimensional Analysis of Biological SpecimensUtilizing Image Processing Techniques(利用图像处理技术对生物样品的三维分析)”，Proc SPIE，264，110-117，1980；D.A.Agard、R.A.Steinberg(斯坦伯格)和R.M.Stroud(史屈劳德)的论文“Quantitative Analysis of Eletrophoretograms：A MathematicalApproach to Super-Resolution(电泳图的定量分析：一种超分辨的数学方法)”，Anal Biochem 111，257-268，1981；D.A.Agard、Y.Hiraoka(希拉奥卡)、P.Shaw(肖)和J.W.Sedat的论文“FluorescenceMicroscopy in Three Dimensions(三维荧光显微镜)”，Methods CellBiol 30，353-377，1998；D.A.Agard的论文“Optical SectioningMicroscopy：Cellular Architecture in Three Dimensions(光学层析显微镜：三维蜂窝体系)”，Annu.Rev.Biophys.Bioeng.13，191-219，1984；Y.Hiraoka、J.W.Sedat和D.A.Agard的论文“The Use of aCharge-Coupled Device for Quantitative Optical Microscopy ofBiological Structure(利用电荷耦合器件的生物结构定量光学显微镜)”，Sci，238，36-41，1987；以及W.Denk(邓克)、J.H.Strickler(史曲列克勒)和W.W.Webb(韦伯)的论文“Two-Photon Laser ScanningFluorescence Microscopy(双光子激光扫描荧光显微镜)”，Sci.248，73-76，1990。关于致冷的CCD图像传感器请参见J.Kristian(克里斯汀)和M.Blouke(勃鲁克)的论文“Charge-coupled Devicesin Astronomy(天文学中的电荷耦合器件)”，Sci.Am.247，67-74，1982。

激光计算层析技术已用普通显微镜实现。S.Kawata(卡瓦塔)、O.Nakamura(那卡姆拉)、T.Noda(挪达)、H.Ooki(奥基)、K.Ogino(奥其诺)、Y.Kuroiwa(克劳依瓦)、和S.Minami(米那米)等人的论文“Laser Computed Tomography microscope(激光计算层析显微镜)”(Appl.Opt.29，3805-3809，1990)中所讨论的系统基于一种与X射线计算层析技术紧密相关的原理，但它不是采用二维分层重建，而采用了三维体重建。一个厚的三维样品的一些投影图像由一个修改成带有倾斜照明系统的普通透射式显微镜获取，而样品内部的三维结构则由计算机重建。其中获取数据所需的时间短于处理三维图像数据所需的时间。S.Kawata等人的上述论文中的一个实验表明，对于80×80×36体像素(voxel)的重建需要几分钟的时间来获取全部投影图和把它们送于微型计算机。其后，为了获得重建的数字图像约需30分钟，虽然他们使用了一个速度为每秒2千万次浮点运算(20MFLOPS)的矢量处理器。

在普通的点或针孔共焦显微镜中，来自一个点光源的光被聚焦在一个称之为斑(spot)的十分小的空间内。显微镜把由这个斑反射、散射、或透射的光聚焦到一个点状探测器上。在反射型点共焦显微镜中，入射光被样品的位于斑中的那一部分反射或后向散射。样品的位于斑外的部分所反射或后向散射的光都不能聚焦在探测器上，于是这些光将弥散，使得点探测器只接收到这些反射或后向散射光的一小部分。在透射型点共焦显微镜中，除了在样品的斑部分被散射或吸收之外，入射光将被透射。通常，点光源和点探测器可以分别用在普通的光源和普通的探测器前面放置一个带针孔的掩膜来近似。

类似地，在普通地狭缝共焦显微镜系统中，来自一个线光源的光被聚焦在一个十分狭长的空间内，这个空间也叫做斑。狭缝共焦显微镜把自这个斑反射、散射、或透射的光聚焦在一个线探测器上。线光源和线探测器可分别用在普通的光源前面放置一个带狭缝的掩膜和一排普通的探测器来近似。或者，线光源也可以用一个聚焦激光束扫描被成像或被检验物体来近似。

由于只有物体的一小部分被共焦显微镜成像，所以为了获得足够的图像数据来产生物体的完整二维或三维影像，被成像物体必须运动，或者光源和探测器必须运动。以往，为了获得二维图象数据的相继各线，狭缝共焦显微镜使物体沿着垂直于狭缝的方向线性运动。另一方面，为了获取二维图像数据只有一个针孔的点共焦系统必需按二维方式运动；而为了获取一组三维图像数据它必须按三维方式运动。典型地，先把原始图像数据存储下来，然后再对它们进行处理以获得被检验或被成像物体的二维截面或三维图像。由于相对于普通显微镜来说离焦像的敏感度被降低，所以对于一定量的数据，统计精度得到了改善，并且与处理由普通显微术方法获得的数据相比，所需的处理操作被大为简化。

在一种称之为“串联扫描光学显微镜(TSOM)”的系统中，在一个尼普科(Nipkow)圆盘上蚀刻了照明和探测器针孔的一个螺旋形图形，当该圆盘旋转时，整个静止的物体将被二维扫描，请参见M.Pe’tran(杯特兰)和Hadravsky(哈德拉夫斯基)的论文“Tandem-ScanningReflected-Light Microscope(串联扫描反射光显微镜)”，J.Opt.Soc.A.58(5)661-664(1968)；和G.Q.Xiao(肖)、T.R.Corle(考尔)和G.S.Kino(基诺)的论文“Real-Time Confocal Scanning OpticalMicroscope(实时共焦扫描光学显微镜)”，Appl.Phys.Lett.53，716-718(1988)。从光学处理的角度看，TSOM基本上是一个单点共焦显微镜，其中带有一个能有效地逐点扫描一个二维截面的装置。

从下述两项工作中可以发现两种能减少用共焦系统获取二维图像所需的扫描量的技术的例子：H.J.Tiziani(梯齐尼)和H.-M.Uhde(乌德)的论文“three-dimensional Analysis by a Microlens-ArrayConfocal Arrangement(用微透镜阵列共焦布局进行三维分析)”，Appl.Opt.33(4)，567-572(1994)；以及P.J.Kerstens(克尔斯登斯)，J.R.Mandeville(曼德维尔)和F.Y.Wu(吴)的专利“Tandem LinearScanning Confocal Imaging Systems With Focal Volumes atDifferent Heights(具有不同高度处的聚焦体积的串联线性扫描共焦成像系统)”，美国专利No.5,248,876，发布于1993年9月。上述Tiziani和Uhde论文中的微透镜共焦布局的离焦像鉴别能力与在一个共焦系统中使用多针孔光源和多元素探测器的情况相同。这种系统可以同时检测多个点，但其代价是降低鉴别离焦像的能力。微透镜的密度愈大，系统鉴别离焦像的能力愈差。从而为得到三维图像所需的计算机退卷积的复杂程度和成本将愈大。此外，Tiziani和Uhde上述论文的系统在轴向范围上受到严重限制。这个范围不能超过微透镜的焦距，而在一定的数值孔径下该焦距是正比于微透镜的直径的。因此，随着微透镜密度的增大，所容许的轴向范围将相应地减小。

在上述Kerstens等人的专利的系统中，为了能同时检测多个点，需在共焦布局中引入多个针孔和多个相匹配的针孔探测器。然而，如上一段所指出的，这一得益的代价是降低对离焦像的鉴别能力，结果将使后续计算机退卷积所需的复杂程度和成本增大。针孔的密度愈高，系统鉴别离焦像的能力将愈差。最高鉴别能力只能在仅使用一个针孔时才能达到。

在T.Zapf(柴普夫)和R.W.Wijnaendts-van-Resandt(维纳恩茨、凡、雷森特)的论文“Confocal Laser Microscope For SubmicronStructure Measurement(用于亚微米结构测量的共焦激光显微镜)”，Microelectronic Engineering 5，573-580(1986)；以及J.T.Lindow(林多)、S.D.Bennett(贝内特)和I.R.Smith(史密斯)的论文“ScannedLaser Imaging for Integrated Circuit Metrology(用于集成电路测量的激光扫描成像)”，Proc.SPIE，565，81-87(1985)中，建议应用共焦显微镜来检验电子电路。共焦系统所具有的轴向鉴别能力使它们可使用于半导体制造领域。例如，这种系统能改善与高度有关的特性的检测，例如，脱层、起泡、以及结构和镀层的厚度等。不过，用共焦成像系统检测电子电路也会引起一些问题。例如，单针孔系统需要太长的时间来对物体进行两个方向的扫描。用于使激光束对物体进行扫描的光系统太复杂；而且以往TSOM所采用的旋转盘方法有对准和维护问题。

所需不同深度断面的数目(从而所需收集的图像数据的量)取决于必需测量的高度范围以及所希望的高度分辨率和光学系统性能。对于典型的电子电路检测，一般需要10至100个不同深度断面的图像。此外，为了区分不同的材料，可能还需要有几个颜色波段下的数据。在共焦成像系统中，对于每一个希望的高度都需要一次独立的二维扫描。如果希望有多个颜色波段，则对每个高度还需要多次二维扫描。通过移动聚焦点高度，可以从一些相邻平面得到类似的数据，从而获得一组三维强度数据。

这样，没有一种以往技术的共焦显微镜系统可以被设计得能实现快速的和/或可靠的三维层析成像，在检测或成像领域中更是如此。

虽然共焦方法是比较直接和工作较好的，例如被着色的结构有高浓度时的共焦荧光工作，但普通的显微术方法仍然有一些实际优点。其中最重要的是，后者可以使用由紫外(UV)范围辐射激发的染料，它们常常显得比由可见光激发的染料更为稳定和更为高效。虽然可以用UV激光器作为共焦显微镜的光源，或者用“双光子”技术由红外(IR)光激发UV染料，但这些技术需要昂贵的成本并存在实际困难。关于使用UV激光器作为光源请参见二M.Montag(蒙塔格)、J.Kululies(科罗列斯)、R.Jorgens(约更斯)、H.Gundlach(贡德拉赫)、M.F.Trendelduberg(特莱恩德伦堡)、和H.Spring(史泼林)的论文“Working with the Confocal Scanning UV-LaserMicroscope：Specific DNA Localization at High Sensitivity andMultiple-Parameter Fluorescence(共焦扫描UV激光显微镜的使用：高灵敏度和多参数荧光下的特定DNA的定位)”，J.Microsc(Ox ford)163(Pt.2)，201-210，1991；K.Kuba(库巴)、S-Y.Hua(华)和M.Nohmi(诺米)的论文“Spatial and Dynamic Changes in Intracellular Ca2+Measured by Confocal Laser-Scanning Microscopy in BullfrogSympathetic Ganglion Cells(用共焦激光扫描显微镜在牛蛙交感神经细胞中测得的细胞内Ca²⁺离子的空间和动态变化)，”Neurosci，Res，10，245-249，1991；C.Bliton(勃列登)、J，Lechleiter(莱史赖特)、和D.E.Clapham(克莱法姆)的论文“OpticalModifications Enabling Simultaneous Confocal Imaging With DyesExcited by Ultraviolet-and Visible-Wave-length light(能用由紫外和可见波长光激发的染料实现同时共焦成像的光学修改)”，J，Microsc.169(Pt.1)，15-26，1993。关于双光子技术红外光激发请参见前述W.Denk等人的论文。

此外，普通显微系统中所使用的致冷CCD探测器是并行地采集数据，而不是像共焦显微镜系统中的光电倍增管(PMT)那样串行地采集数据。因此，如果能使CCD更快速地读出数据而不降低其性能，那末尽管计算机退卷积计算所需的时间意味着在把数据转换成能实际看到的三维图像这前还可能会有一个额外的时间延迟，普通显微镜系统的三维数据记录速度也仍可明显高于共焦显微镜系统。

当在用来并行地记录二维数据阵列的CCD与狭缝或针孔共焦显微镜之间作出决时，关系到统计精度的信噪比也是必需要考虑的。二维CCD像素的阱容量为20万个电子的量级。与其他诸如PMT或光电压效应器件这类光(电子)发射探测器所能达到的统计精度相比，这个量级限制了单次曝光CCD所能达到的统计精度。结果，对于那些离焦背景贡献远大于在焦像信号的应用情况，如果所有其他方面的考虑都相同的话，则关于信噪比的考虑将导致这样的结论：狭缝共焦显微镜中的一维并行数据记录将优于标准显微镜中的二维数据记录；或者，单针孔共焦显微镜中的逐点数据记录将优于狭缝共焦显微镜中的一维并行数据记录。

虽然关于以信噪比度量的统计精度的考虑将影响系统的选择，例如狭缝共焦显微镜优于标准显微镜，或单针孔共焦显微镜优于狭缝共焦显微镜，但所选系统中来自离焦像的剩余信号仍可能相近于或大于在焦信号。例如当以光学波长检测生物样品深部时因光辐射的散射远大于吸收，就会出现上述情况。在这种情形下将会需要长时间的计算机退卷积，也就是说该时间要长于获取数据所需的时间。应该指出，不论对于单针孔共焦显微镜还是狭缝共焦显微镜，在寻找远小于剩余离焦图像信号的在焦图像信号时，都会出现上述情况。

虽然使来自CCD探测器的信号精确地数字化要比来自PMT的信号容易，但PMT是一个能被精确标定特性的单一器件而CCD则实际上是一个许多分立探测器的大阵列，而且还存在着与校正标志其工作特性的像素间的灵敏度和偏置差异相关的附加噪声。其中关于CCD信号数字化问题请参见J.B.Pawley(泡利)的论文“Fundamental andPractical Limits in Confocal Light Microscopy(共焦光显微术中的基本限制和实际限制)”，Scanning 13，184-198，1991)；关于附加噪声问题请参见前述Y.Hiraoka等人的论文；J.E.Wampler(汪普勒)、和K.Kutz(库茨)的论文“Quantitative Fluorescence MicroscopyUsing Photomultiplier Tubes and Imaging Detectors(采用光电倍增管和成像探测器的定量荧光显微术)”，Methods CellBiol.29，239-267，1989；Z.Jericevic(日里塞维奇)、B.Wiese(维斯)、J.Bryan(勃莱恩)和L.C.Smith(史密斯)的论文“Validation of anImaging System：Steps to Evaluate and Validate a MicroscopeImaging System for Quantitative Studies(一种成像系统的实现：评价和实现用于定量研究的显微镜成像系统的步骤)”，Methos CellBiol 30，47-83，1989。

应该指出，由于致冷CCD探测器是最适合于那些利用旋转盘上的一些孔来完成扫描功能的共焦显微镜的光探测器，所以不应该认为上述用于三维显微术的两种方法中的两类光探测器之间的差异是完全的。

另一种称之为“光学相干域反射测量术”(OCDR)的技术已被用来获取关于一个系统的三维性质的信息。这个方法在以下论文中有所描述：(1)R.C.Young quist(扬奎斯特)、S.Carr(卡尔)、和D.E.N.Davies(戴维斯)的“Optical Coherence-Domain Reflectometry：A NewOptical Evaluation Technique(光学相干域反射测量术：一种新的光学评估技术)”，Opt.Lett.12(3)，158-160(1987)；(2)K.Takada(塔卡达)、I.Yokohama(约科哈马)、K、Chida(契达)、和J.Noda(挪达)的“New Measurement System for Fault Location in OpticalWaveguide Devices Based on an Interforometric Technique(用于测量光波导器件错位的一种基于干涉测量术的新测量系统)”，Appl.Opt.26(9)，1603-1606(1987)；(3)B.L.Danielson(丹尼尔逊)和C.D.Whittenberg(威吞伯格)的“Guided-Wave Reflectometrywith Micrometer Resolution(具有微米分辨率的导波反射测量术)”，Appl.Opt.26(14)，2836-2842(1987)。OCDR方法与相干光学时域反射测量术(OTDR)技术的区别在于，前者使用一个短相干长度的宽带连续波光源来替代后者的脉冲光源。光源发出的光束进入一个干涉仪，该干涉仪的一臂含有一个可动反射镜，由此反射镜反射的光形成参考光束，而干涉仪的另一臂则包含了待测光学系统。来自两个臂的相干混合反射光中的干涉信号用通常的外差方法探测，产生希望得到的关于该光系统的信息。

OCDR技术中后向散射信号的外差探测是用“白光干涉术”完成的，其中光束被分解到干涉仪的两个臂中，分别被可调反射镜和后向散射地点反射，再被相干地结合。这个方法利用了这样一个事实：仅当两个臂之间的光程差小于光束的相干长度时才会在重新结合的光束中出现干涉条纹。上述参考文献(1)和(3)中所描述的OCDR系统利用了这一原理，并且文献(3)示出了通过扫描可调反射镜和测量重新结合信号的强度所得到的关于被测系统内光纤缝隙的干涉图。文献(1)还描述了一种经修改的方法，其中让参考臂中的反射镜以可控的频率和振幅振荡，以引起参考信号中的多普勒频移，同时重新结合的信号则被导入一个滤波电路，以探测拍频信号。

文献(2)中说明了该技术的另一种变体，其中参考臂反射镜位置固定，而且两臂之间的光程差可以超过相干长度、然后结合的信号被导入第二个迈克耳逊干涉仪，其中有两个反射镜，一个的位置固定，而另一个则是可移动的。扫描该可移动反射镜，使得当它位于一些对应于各个散射地点的分立位置处时，第二干涉仪两臂间的光程差将会补偿前述后向散射信号与参考信号之间的相位延迟。实际上是利用光纤中的一个压电换能调制器对来自后向反射地点的信号加上一个确定频率的振荡相位变化，从而引导到上述补偿地点。来自第二迈克耳逊干涉仪的输出信号被馈送给一个锁相放大器，后者同时探测压电换能器调制和由扫描反射镜运动所引起的多普勒频移。这一技术已被用来测量玻璃波导中的不规则性，分辨率高达15μm。请参见K.Takaca、N.Takato、J.Noda、和Y.Noguchi的论文“Characterization ofSilica-Based Wave guides with a Interferometric OpticalTime-Domain Reflectometry System Using a 1.3μm-WavelengthSuperluminescent Diode(借助于采用1.3μm波长超发光二极管的干涉光学时域反射测量术系统的硅基波导特性标定)”，Opt.Lett.14(13)，706-708(1989)。

OCDR的另一种变体是双光束部分相干干涉仪(PCI)，它已被用来测量眼睛中各个底层的厚度，请参见W.Drexler(德莱克斯勒)、C.K.Hitzenberger(希陈伯格)、H.Sattmann(萨特曼)、和A.F.Fercher(费歇尔)的论文“Measurement of the Thickness of Fundus Layersby Partial Coherence Topography(用部分相干层析术测量眼底层厚度)”，Opt.Eng.34(3)，701-710(1995)。在Drexler等人所用的PCI中，一个外部的迈克耳逊干涉仪把一个具有高空间相干性但相干长度十分短(15μm)的光束分解成两部分：参考光束(1)和测量光束(2)。在该干涉仪的出口处，这两个成份又被合成一个共轴的双光束。这两个具有两倍于干涉仪臂长差的光程差的光束用来照明眼睛并在几个眼内界面处被反射，其中，这些界面是不同折射率媒质之间的分界面。因此每个光束成份(1和2)都被这些界面的反射进一步分解成一些子成份。被反射的各个子成份在一个光探测器上叠加。如果眼内两个界面之间的光学距离等于干涉仪臂长差的两倍，则有两个成份将经历了相同的总光程长度，结果发生干涉。每当观察到干涉图案时，所对应的干涉仪臂长差的值将等于一个眼内光学长度。如果附近没有强的反射，则这些界面的绝对位置能在眼的自然状态下以5μm的精度确定。可是，PCI因物体在三维扫描所需时间内的运动而受到限制。

OCDR的另一种变体叫做光学相干层析术(OCT)，它已被报导用于现场网膜成像，请参见E.A.Swanson(史汪逊)、J.A.Izatt(依扎F)、M.R.Hee(希)、D.Huang(黄)、C.P.Lin(林)、J.S.Schuman(舒曼)、C.A.Puliafito(普里阿费托)、和J.G.Fujimoto(富士莫托)的论文“In Vivo Retinal Imaging by Optical Coherence Tomography(利用光学相干层析术的自然状态网膜成像)”，Opt.Lett.18(21)，1864-1866(1993)和E.A.Swanson、D.Huang、J.G.Fujimoto、C.A.Puliafito、C.P.Lin、和J.S.Schuman的美国专利“Method andApparatus for Optical Imaging with Means for Controlling theLongitudinal Range of the Sample(利用控制样品纵向范围的装置的光学成像方法和设备)，”美国专利号No.5,321,501，1994年6月14日颁发。上述所引起的专利描述了用来对一个样本进行光学成像的一种方法和设备，其中，在样品中的纵向扫描或定位是通过改变导向样品和导向一个参考反射镜的相对光程长度，或者通过改变设备光源的输出的光学特性来实现的。对样品的一维或二维横向扫描是这样实现的。提供样品与一个探测模块之间在横向方向上的受控相对运动，和/或把探测模块内的光辐射导向一个所选的横向位置。所报告的高灵敏度时的空间分辨率＜20μm(动态范围100dB)。不过，该OTC因物体在三维扫描所需的时间内的运动而受到限制。

当需要非接触测量方法时，光学干涉轮廓仪被广泛用来测量物体表面的三维轮廓。典型地，这些轮廓仪采用移相干涉测量(PSI)技术，并且速度快、精度高和重复性好，但它要求被测表面相对于光源平衡波长来说是光滑的。由于干涉的循环性质，使用单波长测量将不能唯一地求得大于四分之一波长(典型地约为150nm)的表面不连续性。多波长测量可以扩大这一范围，但对波长精度和环境稳定性的要求将是严格的，见美国专利No.4,340,306：1982年7月20授予N.Balasubramanian(巴拉苏巴拉曼尼恩)，标题为“Optical System forSurface Topography Measurement(用于表面形状测量的光学系统)”。

基于扫描白光干涉仪(SWLI)的轮廓仪在测量粗糙或不连续表面方面克服了普通PSI轮廓仪的限制性。许多文献详细地说明了这个技术，例如见L.Deck(德克)和P.de Groot(德格鲁特)在Appl.Opt.33(31)，7334-7338(1994)上发表的论文中的参考文献2-7。这些轮廓仪典型地是一边轴向地移动一个被宽带光源照明的等光程干涉仪的一臂，一边记录某一对比参考特征(即峰值对比或峰坑点)的位置。这种技术的一个共同问题是，为了实时地计算每一点的对比需要大量的计算。由于分立的采样间隔，仅仅计算对比往往是不够精确的，这使得不是必需增加采样密度就是必需采用插值技术，总之将进一步减慢获取过程。相干探测显微镜(CPM)是这类轮廓仪的一个例子，请参见于1989年4月4日授予M.Davidson(戴维逊)的美国专利No.4,818,110，标题为“Method and Apparatus of Using a Two BeamInterference Microscope for Inspection of Integrated Circuitsand the Like(利用双光束干涉显微镜检测集成电路等的方法和设备)”；M.Davidson、K.Kaufman(考夫曼)、I.Mazor(马佐)和F.Cohen(科恩)的论文“An Application of Interference Microscope toIntegrated Circuit Inspection and Metralogy(干涉显微镜应用于集成电路检验和测量)”，Proc SPIE，775，233-247(1987)；以及1992年5月12日授予M.Davidson、K.Kaufman和I.Mazor的美国专利No.5,112,129，标题“Method of Image Enhancement for the CoherenceProbe Microscope with Applications to Integrated CircuitMetrology(相干探测显微镜应用于集成电路测量时的图像增强方法)”。一般地说轮廓仪，以及特殊地说CPM，它们都不能对三维物体工作；带有普通干涉显微镜所典型具有的背景；对振动敏感；以及需要大量的计算机分析。

白光干涉测量术(WLI)所遇到的问题之一是相位不确定性问题。针对相位不确定性问题的一种已受到人们注意的轮廓测量方法是J.Schwider(史维德尔)和L.Zhou(周)在一篇标题为“DispersiveInterferometric Profilemeter(色散干涉轮廓仪)”(Opt.Lett.19(13)，995-997，1994)的论文中所提出的色散干涉轮廓仪(DIP)方法。关于WLI的一种类似方法也还被U.Schuell(史奈耳)、E.Zimmermann(齐末曼)和R.Dandliker(但德里克)在标题为“AbsoluteDistance Measurement with Synchronously Sampled White-LightChannelled Spectrum Inter-ferometry(利用同步采样白光沟通光谱干涉测量术的绝对距离测量)”(Pure Appl.Opt.4，643-651，1995)的论文中作过报导。

一般而言，相位不确定性问题完全可以通过使用DIP来避免。在DIP设备中，一个来自白光光源的平行光束垂直地入射到一个位于消色差显微物镜前方的菲索(Fizeau)干涉仪的真实光楔板上。菲索干涉仪由该参考平板的内表面和物体表面形成。然后光被反射回到一个光栅光谱仪的狭缝上，光栅光谱仪将使当时尚看不见的干涉条纹图集发生色散，并把光谱投射到一个线阵探测器上。在该探测器上将呈现出由光谱仪狭缝所选出的表面上每个点的菲索干涉仪空气隙的色散光谱。可以利用博里叶变换和滤波方法来评估条纹图案，以从楔形干涉图的强度分布得到相位信息。

虽然使用了DIP可以避免相位不确定性问题，但DIP并不适合于那些需要检测三维物体的应用。这是因为在DIP中必然存在由离焦像所产生的较大的背景。这一背景问题与试图利用标准干涉显微镜产生三维图像时所面临的背景问题是相当的。

在D.K.Hamilton(哈密尔顿)和C.J.R.Sheppard(雪派德)的论文“A Confocal Interference Microscope(一种共焦干涉显微镜)”(Optic Acta 29(12)，1573-1577，1982)中，描述了共焦显微镜的一种干涉型形式，其中减少了干涉显微镜中所遇到的上述背景问题。该系统的基础是共焦显微镜，其中的物体被相对于一个聚焦激光斑扫描，而该激光斑的位置与一个点探测器的后向投射像相重合。该反射型共焦显策镜的干涉形式是一种改型的迈克耳逊干涉仪，其中的一个光束被聚焦在物体上。该系统的一个重要特性是能减少共焦干涉显微系统所固有的离焦像背景。上述Hamilton和Sheppard论文中的共焦干涉显微镜一次只测量三维物体中的一个点的反射信号，使得系统敏感于样品在获取所需三维数据的扫描期间内的运动。

前述Hill等人的待审批专利申请很适合于减小由离焦像在物体和/或探测器上产生的背景所导致的层析成像中的系统误差。这一技术在并行数据获取方案中也是有效的。前述Hill等人的待审批专利申请中的技术利用了在焦像与离焦像的横向空间特性差别来把两者区分开来。然而，上述Hill等人的技术不能用来减小由包括了离焦像的背景所导入的统计误差。上述Hill等人的待审批专利申请中所列出的各个实施例也全都是被设计得用于共焦显微镜结构的，其中所记录的是所需图像的振幅大小的平方，而不是复振幅自身。

所需要的是，一个系统应能结合以下各项特性：图像数据对离焦像的敏感度被减小到小于以往技术共焦和共焦干涉显微系统所固有的敏感度，图像数据对离焦像的敏感度的减小将导致系统误差和统计误差的减小；与减小的离焦像敏感度相关连的对计算机退卷积的要求的降低；可能达到共焦干涉显微系统所固有的高信噪比；以及，可能测量散射和/或反射光束或声束的复振幅。

本发明的概述

因此，本发明的目的是提供快速、可靠的一、二、三维层析复振幅成像。

本发明的一个目的是要提供这样一种层析复振幅成像技术，它能减小或消除由于离焦像点的光所造成的统计误差和系统误差。

本发明的另一个目的是要提供一种改进的层析复振幅成像技术，它能避免前述以往技术的各种缺点；

本发明的另一个目的是要提供一种改进的层析复振幅成像技术，其中离焦光图像的系统性影响已被大为减小或消除。

本发明的另一个目的是要提供一种层析复振幅成像技术，它允许对物体中的多个点同时成像。

本发明的另一个目的是提供一种方便的一维、二维、三维层析复振幅成像技术，其中带有能使得到的图像信噪比等于一个干涉测量系统能达到的信噪比的装置。

本发明的另一个目的是提供一种层析复振幅成像系统和技术，它能避免求解非线性微分方程的计算困难。

简短地说，根据本发明的一个实施例，提供了一种通过把来自一个宽带空间非相干点光源的光辐射聚焦到一个光源针孔上把在焦像的复振幅从离焦像的复振幅中鉴别出来的方法和设备。从光源针孔射出的光线被准直和导向一个第一移相器。准直光线的一个第一部分的相位被移相器移动，从而产生一个相移光线的第一量；而准直光线的一个第二部分的相位被移相器移动从而产生一个相移光线的第二量。相移光线的第一量和第二量被聚焦到一个第一斑上。

从第一斑射出的相移光线的第一量光线被准直和导引到一个分束器上。准直光线的一个第一部分透过分束器而形成一个探测光束的第一量，准直光线的一个第二部分被光束器反射而形成一个参考光束的第一量。从第一斑射出的相移光线的第二量的光线被准直和导向分束器。准直光线的一个第一部分透过分束器而形成探测光束的第二量，准直光线的一个第二部分被分束器反射而形成参考光束的第二量。

探测光束的第一量和第二量的光线被导向一个第二移相器。探测光束的第一量的光线被移相而形成探测光束的第三量，探测光束的第二量的光线被移相而形成探测光束的第四量，由上述第一和第二移相器对探测光束的第三和第四量所造成的净相移量是相同的。探测光束的第三和第四量被一个探测透镜聚焦到物体材料内的一个斑上，由此来照明物体材料。

参考光束的第一和第二量的光线被导向一个第三移相器。参考光束的第一量的光线被移相而形成参考光束的一个第三量，参考光束的第二量的光线被移相而形成参考光束的一个第四量，由第一和第三移相器对参考光束的第三和第四量所造成的纯相移量是相同的。参考光束的第三和第四量被一个参考透镜聚焦在一个参考反射镜上的一个斑上。

从被照明物体沿探测透镜的方向射出的探测光束的反射和/或散射光线形成一个散射探测光束，它被探测透镜准直，并被导向第二移相器。该准直光线的一个第一部分的相位被移动而产生相移光线的一个第一散射探测光束量，该准直光线的一个第二部分的相位被移动而产生相移光线的一个第二散射探测光束量。第一和第二散射探测光束量的光线被导向分束器。第一和第二散射探测光束量的一部分被分束器反射而分别形成散射探测光束的第三和第四量。散射探测光束的第三和第四量的准直光线被一个探测器透镜聚焦在一个探测器针孔的平面上。

从参考反射镜上的斑沿参考透镜的方向射出的反射光线形成一个反射参考光束，它被参考透镜准直和导向第三移相器。该准直光线的一个第一部分的相位被移动而产生相移光线的一个第一反射参考光束量，该准直光线的一个第二部分的相位被移动而产生相移光线的一个第二反射参考光束量。第一和第二反射参考光束量的光线被导向分束器。第一和第二反射参考光束量的一部分透过分束器而分别形成反射参考光束的第三和第四量。反射参考光束的第三和第四量的准直光线被探测透镜聚焦在探测器针孔的平面上。

透过探测器针孔的散射探测光束的第三和第四量与反射参考光束的第三和第四量的叠加强度被一个单像素探测器测量，作为第一测量强度值。反射参考光束的第三和第四量的相位被一个第四移相器移动π弧度，分别形成反射参考光束的第五和第六量。通过探测器针孔的散射探测光束的第三和第四量与反射参考光束的第五和第六量的叠加强度被单像探测器测量，作为第二测量强度值。

反射参考光束的第三和第四量的相位被第四移相器再移动一π/2弧度，分别形成反射参考光束的第七和第八量。透过探测器针孔的散射探测光束的第三和第四量与反射参考光束的第七和第八量的叠加强度被单像素探测器测量，作为第三测量强度值。反射参考光束的第三和第四量的相位被第四移相器再移动π弧度，分别形成反射参考光束的第九和第十量。透过探测器针孔的散射探测光束的第三和第四量与反射参考光束的第九和第十量的叠加强度被单像素探测器测量，作为第四测量强度值。

在下一步骤中，把第一、第二、第三、第四测量强度值送给一个计算机进行处理。计算机把第一测量强度值减去第二测量强度值，从而产生聚焦在探测器针孔平面上的散射探测光束复振幅的一个第一分量值的测量值，其中来自离焦像的光的影响已被抵消。计算机还把第三测量强度值减去第四测量强度值，从而产生聚焦在探测器针孔平面上的散射探测光束复振幅的一个第二分量值的测量值，其中来自离焦像的光的影响已被抵消。

散射探测光束振幅的第一和第二分量值是两个正交分量的值，于是除了一个复常数之外，它们给出了聚焦在探测器针孔平面上的散射探测光束的复振幅的一个精确测量值，其中来自离焦像的光的影响已被抵消。利用计算机和熟悉本技术领域的人们所知的计算机算法，从通过对物体材料的一维、二维和三维扫描所分别获取的一维、二维和三维阵列，将分别得到材料的精确一维、二维和三维表示。对物体材料的扫描是通过使用一个受计算机控制的移动器在一维、二维和三维方向上系统地移动物体材料来实现的。如果所希望的离焦像校正超出了本发明设备能做到的补偿，则计算机算法中可以包含熟悉本技术领域的人们所知的计算机退卷积算法。

根据本发明的第二个实施例，提供了一种通过把来自一个宽带、空间扩展、空间不相干的线光源的光辐射成像到一个光源针孔的线阵上把在焦像的复振幅从离焦像的复振幅中鉴别出来的方法和设备，该设备包括了前述实施例的设备和电子处理装置，只是其中第一实施例的光源针孔已被一个方向垂直于系列光轴的光源针孔线阵列取代，第一实施例的探测器针孔已被一个一维探测器针孔线阵所取代，并且第一实施例的单像素探测器已被一个一维探测器像素线阵所取代，探测器针孔线阵及探测器像素线阵的取向是与光源针孔线阵在探测器上的在焦像相一致的；测得的散射探测光束的两个正交复振幅分量除了一个复常数之外给出了聚焦在探测器针孔线阵平面上的散射探测光束的复振幅的精确测量值，其中来自离焦像的光的影响已被抵消。在不需要扫描的情况下，得到了由光源针孔线阵取向所选择的方向上的物体中的一个线段上的点线阵的精确一维表示。利用熟知本技术领域的人们所知的计算机算法，根据通过使物体在由光源针孔线阵的取向所选择的方向上扫描一段等于两个相邻光源针孔在物体中的两个像之间的距离的长度所获得的第一、第二、第三、第四强度值的二维阵列，可得到物体的精确的一维表示。此外，利用熟悉本技术领域的人们所知的计算机算法，根据通过使物体在由光源针孔线阵的取向所选择的方向上扫描一段等于两个相邻光源针孔在物体中的两个像之间的距离的长度，以及使物体在第二维和第二及第三维方向上作类似扫描所分别得到的第一、第二、第三、第四强度的二维和三维阵列，可分别得到物体的精确的二维和三维表示。如果所希望的对离焦像的校正超出了本发明设备能做到的补偿，则计算机算法可以包含熟悉本技术领域的人们所知的计算机退卷积算法。

本发明上述第一和第二优选实施例的一些变体实施例含有改进和优化信噪比的能力，其中使用了附加的光学装置和其后的相同于本发明的第一和第二优选实施例的基础设备中所使用的电子处理装置。附加的光学装置包括改变参考光束和探测光束的光路，由此使得第一实施例中被聚焦在探测器针孔上的或第二实施例中被聚焦在探测器针孔线阵上的反射参考光束的振幅能分别相对于被成像在探测器针孔或探测器针孔线阵上的散射探测光束的振幅进行调节。

根据本发明的第三个实施例，提供了带有改进和优化信噪比的装置的用来把在焦像的复振幅从离焦像的复振幅鉴别出来的一种方法和设备，该设备包括前述第一实施例的设备以及一个光学装置，后者用来相对于被成像在探测器针孔上的散射探测光束的振幅调节被聚焦在探测器针孔上的反射参考光束的振幅。来自一个宽带空间非相干点光源的光线被聚焦在一个光源针孔上。从光源针孔射出的光线被准直和导向一个第一移相器。准直光线的一个第一部分的相位被移动而产生相移光线的一个第一量，准直光线的一个第二部分的相位被移动而产生相移光线的一个第二量。相移光线的第一和第二量入射到一个第一分束器上。相移光线第一量的一个第一部分透过第一分束器，形成探测光束的一个第一量，相移光线第一量的一个第二部分被第一分束器反射，形成参考光束的一个第一量。相移光线第二量的一个第一部分透过第一分束器，形成探测光束的一个第二量，相移光线第二量的一个第二部分被第一分束器反射，形成参考光束的一个第二量。探测光束的第一和第二量被聚焦在一个第一探测光束斑上。参考光束的第一和第二量被聚焦在一个第一参考光束斑上。

从第一探测光束斑射出的探测光束第一量的光线被准直和导向一个第二分束器。该准直光线的一个第一部分透过第二分束器，形成探测光束的一个第三量。从第一探测光束斑射出的探测光束第二量的光线被准直和导向第二分束器。该准直光线的一个第一部分透过第二分束器，形成探测光束的一个第四量。探测光束第三和第四量的光线被导向一个第二延相器。探测光束第三量的光线透过第二延相器，其相位被移动，形成探测光束的一个第五量。探测光束第四量的光线透过第二延相器，其相位被移动，形成探测光束的一个第六量，第一和第二延相器对探测光束第五和第六量产生的净相移量是相同的。

从第一参考光束斑射出的参考光束第一量的光线被准直和导向一个第三延相器，作为参考光束的一个第三量出射。从第一参考光束斑射出的参考光束第二量的光线被准直和导向第三延相器，作为参考光束的一个第四量出射，第一和第三延相地参考光束第三和第四量产生的净相移量是相同的。参考光束第三量的一个第一部分被一个第三分束器反射，形成参考光束的一个第五量。参考光束第四量的一个第一部分被第三分束器反射，形成参考光束的一个第六量。

准直的探测光束第五和第六量被一个探测透镜聚焦在物体材料中的一个第二探测光束斑上，由此来照明物体材料。准直的参考光束第五和第六量被一个参考透镜聚焦在参考反射镜的一个第二参考光束斑上。

从被照明物体射出的沿探测透镜方向的探测光束的反射和/或散射光线形成一个散射探测光束。散射探测光束被探测透镜准直和导向第二移相器。该准直光线的一个第一部分的相位被移动，产生相移光线的一个第一散射探测光束量，准直光线的一个第二部分的相位被移动，产生相移光线的一个第二散射探测光束量。第一和第二散射探测光束量的光线被导向第二分束器。第一和第二散射探测光束量的一部分被第二分束器反射，分别形成散射探测光束的第三量和第四量。散射探测光束第三和第四量的准直光线被一个探测器透镜聚焦，在探测器针孔平面内形成一个散射探测光束。

从第二参考光束斑射出的沿参考透镜方面的反射光线形成一个反射参考光束，然后它被准直和导向到第三分束器上。反射参考光束的一部分透过第三分束器，入射到一个第四移相器上。透过第四移相器的入射光束的一个第一部分的相位被移动，产生相移光线的一个第一反射参考光束量。透过第四移相器的入射光束的一个第二部分的相位被移动，产生相移光线的一个第二反射参考光束量。第一和第二反射参考光束量的光线被导向第二分束器。第一和第二反射参考光束量的一部分透过第二分束器，分别形成反射参考光束的第三和第四量。反射参考光束第三和第四量的准直光线被探测器透镜聚焦，在探测器针孔平面中形成一个反射参考光束斑。

透过探测器针孔的散射探测光束第三和第四量与反射参考光束第三和第四量的叠加强度被一个单像素探测器测量，作为第一测量强度值。反射参考光束第三和第四量的相位被一个第五移相器移动π弧度，分别形成反射参考光束的第五和第六量。透过探测器针孔的散射探测光束第三和第四量与反射参考光束第五和第六量的叠加强度被单象素探测器测量，作为第二测量强度值。

反射参考光束第三和第四量的相位被一个第五移相器移动额外的-π/2弧度，形成反射参考光束的第七和第八量。透过探测器针孔的散射探测光束第三和第四量与反射参考光束第七和第八量的叠加强度被单像素探测器测量，作为第三测量强度值。反射参考光束第三和第四量的相位被第五移相器移动额外的π弧度，形成反射参考光束的第九和第十量。透过探测器针孔的散射探测光束第三和第四量与反射参考光束第九和第十量的叠加强度被单像素探测器测量，作为第四测量强度值。

在下一个步骤中，第一、第二、第三、第四测量强度值被送给一个计算机进行处理。计算机把第一测量强度值减去第二测量强度值产生聚焦在探测器针孔平面上的散射探测光束的复振幅的一个第一分量值的测量值，其中由离焦像造成的光影响已被抵消。计算机还把第三测量强度值减去第四测量强度值产生聚焦在探测器针孔平面上的散射探测光束的复振幅的一个第二分量值的测量值，其中由离焦像造成的光的影响已被抵消。

散射探测光束振幅的第一和第二分量值是两个正交分量的值，所以给出了除了一个复常数以外的聚焦在探测器针孔平面上的散射探测光束的复振幅的精确测量值，其中由离焦像造成的光的影响已被抵消。利用计算机和熟悉本技术领域的人们所知的计算机算法，可以从通过由物体材料的一维、二维和三维扫描分别获取到的第一、第二、第三、第四强度值的一维、二维和三维阵列分别得到物体材料的精确一维、二维和三维表示。物体材料的扫描是通过利用一个受计算机控制的移动器使物体材料系统地作一维、二维和三维运动来实现的。如果希望的离焦像校正超出了本发明设备能做到的补偿，则计算机算法可以包含熟悉本技术领域的人们所知的计算机退卷积算法。

在第三实施例中，关于测量所希望复振幅的信噪比可被优化。该优化是通过改变第一、第二、第三分束器的反射/透射性质而调节散射探测光束第三和经四量的振幅与反射参考光束第三和第四量的振幅之间的比值来实现。

根据本发明的第四个实施例，提供了一带有能通过把来自一个宽带、空间扩展、空间非相干的光源的光辐射成像到一个光源针孔源线阵上来调节或优化信噪比的装置的、用来把在焦像的复振幅从离焦像的复振幅鉴别出来的一种方法和设备，该设备包括上述第三实施例的设备和电子处理装置，只是其中第三实施例的光源针孔已被一个方向垂直于光轴的针孔线阵所取代，第三实施例的探测器针孔已被一个一维探测器针孔线阵所取代，并且第三实施例的单像素探测器已一个一维探测器像素线阵所取代；其中探测器针孔和像素线阵都对齐于聚焦在探测器针孔线阵平面上的光源针孔线阵的像。散射探测光束的两个正交复振幅分量的测量值给出了除一个复常数之外的聚焦在探测器针孔线阵平面上的散射探测光束的复振幅的精确测量值，其中由离焦像造成的光的影响已被抵消。在不需要扫描的情况下，可以在由光源针孔线阵的取向所选择的方向上获得物体中一个线段上的一个点线阵的精确一维表示。利用熟悉本技术领域的人们所知的计算机算法，从通过使物体在由光源针孔线阵的取向所选择的方向上扫描一个等于两个相邻光源针孔在物体中的两个像之间的距离的长度而获取的第一、第二、第三、第四强度值的二维阵列，获得物体的一个精确的一维表示。此外，利用计算机和熟悉本技术领域的人们所知的计算机算法，从通过使物体在由光源针孔线阵的取向所选择的方向上扫描一个等于两个相邻光源针孔在物体中的两个像之间的距离的长度再分别加上使物体在一个第二维方向和第二及第三维方向上进行类似扫描所分别获取的第一、第二、第三、第四强度值的二维和三维阵列，可以分别获得物体的精确二维和三维表示。物体材料的扫描是通过利用一个受计算机控制的移动器使物体材料系统地作一维和二维运动来实现的。如果所希望的离焦像校正超出了本发明设备能做到的补偿，则计算机算法可以包含熟悉本技术领域的人们所知的计算机退卷积算法。

第四实施例中所得到的关于测量所希望复振幅的信噪比可以被优化。该优化是通过改变第一、第二、第三分束器的反射/透射性质而调节散射探测光束第三和第四量的振幅与反射参考光束第三和第四量的振幅的比值来实现的。

对于第一、第二、第三、第四优选实施例的变体，即第五和第六优选实施例对于由透过物体材料的名义上与探测光束的传播方向有相同方向的光所得到的各个像，具有把在焦像的复振幅从离焦像的复振幅鉴别出来的能力，这两个优选实施例基本上包括了与前面4个优选实施例相同的设备和电子处理装置，还包括一些附加的光学装置。这些附加的光学装置最好包括前述工作于透射模式的干涉仪的结构。

应该理解，本发明的“使能技术(enabling technology)”适用于任何电磁辐射和例如电子显微镜中所用的电子束，甚至适用于能获得适合的准直透镜。成像透镜、和移相器的声波。对于那些其中探测的是光束振幅而不是光束强度的应用，在探测器后面的电子处理中必需有能产生振幅平方的功能。

虽然一般来说使用空间非相干线光源时系统误差比较小，但对于第二、第四或第六优选实施例情况，要得到较小的系统误差，线光源也不一定要在其长度方向上是空间非相干的。

光源既可以有窄的谱线，也可以有增宽的谱线。

本发明的一个优点是所得到的是物体的复散射振幅，而不是PCI和OCT情况中的散射振幅的大小值。这一点对于为获得给定类型的物体材料的一维、二维或三维像所需要的计算机分析工作量来说是特别重要的。

另一个优点是，为获得一维、二维和三维成像中的复散射振幅所需的计算机处理要远少于目前使用的以往技术共焦系统所需的。

另一个优点是，如果需要校正已在本发明设备中大为减弱的离焦像影响，对于达到同样的校正水平来说本发明设备所需的计算机处理要远少于以往技术扫描单针孔共焦干涉显微镜所需的。

另一个优点是，对于给定的测量时间间隔，背景辐射对在物体中一个给定点处测得的复散射振幅的统计噪声贡献可被减小到这样的程度，即原理上由复散射振幅自身的大小所决定的统计噪声程度，特别是对于背景辐射比所希望复散射振幅大的情况也是如此。这在以往技术的扫描单针孔共焦显微系统中是不能达到的。

与以往技术共焦干涉显微系统所得到的图像中的统计误差相比，用本发明设备得到的图像中的统计误差较小。

总之，本发明的设备能：(1)减小系统误差，(2)减小统计误差，(3)减小探测器和处理电子电路的动态范围要求，(4)减少为产生一维、二维或三维像所需的计算机处理，(5)使用窄带或宽带光源工作，和/或(6)在透过混浊介质时工作。一般，这些特点中的一个或几个特点能同时实现。

附图的简单说明

在各附图中，相似的代号代表相似的元件。

图1a-1j一起以示意图形式说明本发明目前优选的第一实施例，其中：

图1a示出子系统80与81、81与82、81与83、82与84、以及83与84之间的各个光路，从计算机118到移动器116和子系统83中移相器44的电子信号路径，以及从子系统84中的探测器114到计算机118的电子信号路径；

图1b说明子系统80；

图1c说明子系统81；

图1d说明探测光束进入子系统82的情况；

图1e说明参考光束进入子系统83的情况；

图1f说明探测光束离开子系统82的情况；

图1g说明参考光束离开子系统83的情况；

图1h说明探测光束进入子系统84的情况；

图1i说明参考光束进入子系统84的情况；

图1j说明由子系统82中光的散射和/或反射在子系统84中产生离焦光束的情况；

图2a-2d一起以示意图形式说明本发明目前的第二优选实施例，其中

图2a示出子系统80a与81、81与82、81与83、82与84a和83与84a之间的光路，从计算机118到移动器116和子系统83中的移相器44的电子信号路径，以及从子系统84a中的探测器114a到计算机118的电子信号路径；

图2b说明子系统80a；

图2c说明探测光束进入子系统84a的情况；

图2d说明参考光束进入子系统84a的情况；

图3a-3j一起以示意图形式说明本发明目前的第三优选实施例，其中

图3a示出子系统80与81a、80与81b、81a与82、81b与83a、82与84和83a与84之间的光路，从计算机118到移动器116和子系统83a中的移相器44的电子信号路径；以及从子系统84中的探测器114到计算机118的电子信号路径；

图3b说明子系统80；

图3c说明子系统81a；

图3d说明探测光束进入子系统82的情况；

图3e说明子系统81b；

图3f说明参考探测光束进入子系统83a的情况；

图3g说明探测光束离开子系统82的情况；

图3h说明参考光束离开子系统83a的情况；

图3i说明探测光束进入子系统84的情况；

图3j说明参考光束进入子系统84的情况；

图4a-4d一起以示意图形式说明本发明目前的第四优选实施例，其中

图4a示出子系统80a与81a、80a与81b、81a与82、81b与83a、82与84a和83a与84a之间的光路，从计算机118到移动器116和子系统83a中的移相器44的电子信号路径，以及从子系统84中的探测器114a到计算机118的电子信号路径；

图4b说明子系统80a；

图4c说明探测光束进入子系统84a的情况；

图4d说明参考光束进入子系统84a的情况；

图5a-5f一起以示意图形式说明本发明目前的第三优选实施例，其中

图5a示出子系统80b与82a、80b与81b、82a与85、和81b与85之间的光路，从计算机118到移动器116和子系统85中的移相器44的电子信号路径，以及从子系统85中的探测器114到计算机118的电子信号路径；

图5b说明子系统80b；

图5c说明子系统82a；

图5d说明子系统81b；

图5e说明探测光束进入子系统85的情况；

图5f说明参考探测光束进入子系统85的情况；

图6a-6d一起以示意图形式说明本发明目前的第三优选实施例，其中

图6a示出子系统80c与82a、80c与81b、82a与85a、和81b与85a之间的光路，从计算机118到移动器116和子系统85中的移相器44的电子信号路径，以及从子系统85中的探测器114a到计算机118的电子信号路径；

图6b说明子系统80c；

图6c说明探测光束进入子系统85a的情况；

图6d说明参考光束进入子系统85a的情况；

图7示出一个具有三个成像部分的反射共焦显微镜的几何布局；

图8是根据本发明第六优选实施例的在一个二单元移相系统(m＝1)的单像素探测器114处的在焦像平面47中的反射参考光束振幅U_R(V₃)与y₃＝0、z₃＝0和v_I＝0时的(x₃kd₀/f)的函数关系曲线图；

图9是根据本发明第六优选实施例的在一个四单元移相系统(m＝2)的探测器针孔平面47处的各个光束B52D-1、-2、-3、-4(见图1j)的背景振幅大小的平方与y₃＝0、z₃＝50λ(f/d₀)²时的(x₃d₀/λf)的函数关系曲线图。

本发明的详细说明

本发明能够把由三维像空间或区域中的一个体元素所反射和/或散射的光的复振幅与由位于被测体元素前方、后方及边上的结构的重叠离焦像所产生的背景光的复振幅分离开来。所说明的层析技术能把一个像平面中的希望复振幅信号与由各种机制所产生的“背景”和“前景”复振幅信号分离开来。这些背景和前景复振幅信号可以是：(1)物体材料中不是被成像的各个截面的离焦像，(2)希望振幅信号的散射信号，(3)源自非成像截面的信号的散射信号，和/或(4)热辐射。散射地点和热辐射源可能位在物体被测截面的前方、后方和/或其中的空间内。

本发明的技术以两种不同的对离焦像的鉴别级别中的一种级别来实现。在第一个级别(级别1)中，各个成像子系统的脉冲响应函数通过在本发明设备的各个子系统的光瞳上分别导入一维的相位变化图案而在一个平面内受到控制。在第二个级别(级别2)中，各个成像子部分的脉冲响应函数通过在各个子系统的光瞳上分别导入二维的相位变化图案而在两个正交的平面内受到控制。级别2的实现比级别1的实现在把离焦像从在焦像鉴别出来的方面更为有效。然而，当在本发明的第二、第四、或第六实施例中采用级别1的鉴别时，光源针孔线阵可以被做成为一个狭缝，然而当在本发明的第二、第四或第六实施例中采用级别2的鉴别时，根据后面将给出的等式(38)，各个光源针孔之间的间距必须大于某一个最小值。这里所说明的任何一个优选实施例都可以实现级别1和级别2的鉴别。

本发明的使能技术，对于不论是被构形成级别1还是级别2鉴别的本发明设备的每个优选实施例来说，都是共同的，但这里仅对级别1鉴别的各个优选实施例说明本发明的使能技术。

将首先说明各个实施例的物理实体和它们的工作，然后给出所依据的理论。

参考各附图的详细内容，图1a-1j以示意图形式示出本发明目前的第一优选实施例。

如图1a-1j所示，本发明的该优选实施例是一个干涉仪，其中包括一个分束器100、承载在一个xyz移动器116上的物体材料112、一个参考反射镜120和一个探测器114。在本技术领域中该结构叫做迈克耳逊干涉仪，这里示出的是一个简单的例子。本技术领域中已知的这种干涉仪的其他形式例如有偏振迈克耳逊干涉仪，在C.Zanoni(扎诺尼)的论文“Differential Interferometer Arrangements forDistance and Angle Measurements：Principles，Advantages，andApplications(用于距离和角度测量的差分干涉仪布局：原理、优点和应用)”(VDI Berichte NR/749，93-106，1989)中有所说明，可以把它使用在图1a-1j的设备中而不会明显偏离本发明第一优选实施例的精神和范畴。

图1b以示意图形式示出图1a所示的子系统80的一个实施例。对于第一优选实施例而言，光源10最好是一个点光源或一个其表面各处的辐射是空间非相干的光源，最好是一个激光器或类似的相干光源，或部分相干辐射光源，而且最好是偏振的。光源10发出与子系统80的光轴3相对准的输入光束2。如图1b所示，输入光束2进入聚焦透镜6并被聚焦在像平面7中的针孔8上。由多个光束12-1、-2、-3、-4所组成的光束12从针孔8发散出来，进入一个其光轴对准于子系统80的光轴3的透镜1b。光束12从透镜16射出时成为准直光束12A，后者由光束12A-1、-2、-3、-4组成，准直光束12A进入移相器14。移相器14包括一些矩形移相器14-1、-2、-3、-4，它们各自的光轴都平行于子系统80的光轴3。应该指出，这些移相器的数目可以是任何合适的数2m，其中m是一个整数。图1b中所例子是m＝2的情况，4个移相器的情况已足以清楚地说明本发明设备各个部件之间的关系。平行光束12A-1、-2、-3、-4分别透过移相器14-1、-2、-3、-4，出射时分别变成光束12B-1、-2、-3、-4，总的构成光束12B。移相器14-2和14-4，所导入的相移量分别比移相器14-1和14-1所导入的多π弧度，而移相器14-1与14-3所导入的相移量是相同的。

在图1a中，光束12B从子系统80射出而进入子系统81。在图1C中光束12B进入透镜26，出射时变成由光束12C-1、-2、-3、-4所组成的光束12C。透镜26使光束12C聚焦成在焦像平面17中的点像18。光束12C从点像18射出时变成由光束22-1、-2、-3、-4所组成的光束22。光束22进入一个其光轴对准于子系统81的光轴3的透镜36。光束22从透镜26射出并离开子系统81时变成由光束22A-1、-2、-3、-4所组成的光束22A。

如图1a所示，光束22A部分地透过分束器100，变成由光束P22B-1、-2、-3、-4所组成的光束P22B，并进入图1d中所示的子系统82。

在图1d中，光束P22B入射到-个由移相器24-1、-2、-3、-4所组成的移相器24上。移相器24与14含有相同数目的2m个单元，图1d中示出的是m＝2的情况。光束P22B-1、-2、-3、-4分别透过移相器24-1、-2、-3、-4，出射后分别变成光束P22C-1、-2、-3、-4，它们组成了光束P22C。移相器24-1与24-3所导入的相移量相同，分别比移相器24-2和24-4所导入的多π弧度，而移相器24-2和24-4所导入的相移量是相同的。

由每一对移相器14-1与24-1、14-2与24-2、14-3与24-3、14-4与24-4所产生的相移量之和都是π弧度。所以光束P22C-1、-2、-3、-4中的任意两个光束之间都不存在净相对相移。光束P22C透过透镜46，变成由光束P22D-1、-2、-3、-4所组成的光束P22D，后者被聚焦成物体材料112中的在焦像平面27内的点像28。透镜46的光轴是对准于子系统82的光轴3的。

在图1a中，光束22A部分地被分束器100反射，变成由光束R22B-1、-2、-3、-4所组成的光束R22B。光束R22B进入示于图1e的子系统83。如图1e所示。光束R22B入射在-个由移相器34-1、-2、-3、-4所组成的移相器34上。移相器34与14含有相同数目2m的单元，图1e中示出了m＝2的情况。光束R22B透过移相器34，然后又透过移相器44，出射后变成由光束R22C-1、-2、-3、-4所组成的光束R22C。由移相器44所导入的相移量受来自计算机118的信号132控制。移相器34-1与34-3所导入的相移量相同，比移相器34-2或34-4所导入的多π弧度，而移相器34-2与34-4所导入的移相量是相同的。所以在光束R22C-1、-2、-3、-4中的任何两个光束之间没有净相对相移。光束R22C透过透镜56后变成由光束R22D-1、-2、-3、-4所组成的光束R22D。光束R22D被透镜56聚焦成参考反射镜120上的在焦像平面37中的点像38。透镜56的光轴是对准于子系统83的光轴3a的。

在图1f中，光束P22D(见图1d)的一部分被点像28处的物体材料反射和/或散射，变成组成了光束P32的多个光束P32-1、-2、-3、-4。光束P32从在焦像平面27中的点像28发散，进入透镜46。如图1f所示，光束P32从透镜46射出时变成由光束P32A-1、-2、-3、-4所组成的准直光束P32A。光束P32A-1、-2、-3、-4分别透过移相器24-4、-3、-2、-1，出射时分别变成光束P32B-1、-2、-3、-4。光束P32B-1、-2、-3、-4组成了光束P32B，从子系统82射出。由移相器24-1与24-3所导入的相移量相同，比移相器24-2或24-4所导入的多π弧度，而移相器24-2与24-4所导入的相移量是相同的。

在图1g中，光束R22D(见图1e)被参考反射镜120反射，变成由光束R32-1、-2、-3、-4所组成的光束R32。光束R32自在焦像平面37中的点像38发散，进入透镜56。如图1g所示，光束R32从透镜56射出时变成由光束R32A-1、-2、-3、-4所组成的准直光束R32A。光束R32A-1、-2、-3、-4首先透过移相器44，再分别透过移相器34-4、-3、-2、-1，出射后分别变成光束R32B-1、-2、-3、-4。由移相器44所导入的相移量受来自计算机118的信号132控制。由移相器34-1与34-2所导入的相移量是相同的，比由移相器34-2或34-4所导入的多π弧度，而移相器34-2与34-4所导入的相移量是相同的。光束R32B-1、-2、-3、-4组成了从子系统83射出的光束R32B。

图1a中示出光束P32B被分束器100部分地反射，变成由光束P32C-1、-2、-3、-4所组成的光束P32C。光束P32C进入图1h中所示的子系统84，透过透镜66变成由光束P32D-1、-2、-3、-4所组成的光束P32D。光束P32D透镜66聚焦成单像素探测器114上的在焦像平面47中的点像48。透镜66的光轴是对准于子系统84的光轴3b的。

图1a示出光束R32B被分束器100部分地透过，变成由光束R32C-1、-2、-3、-4所组成的光束R32C。光束R32C进入如图1I所示的子系统84。在图1I中，光束R32透过透镜66变成由光束R32D-1、-2、-3、-4所组成的光束R32D。光束R32D被透镜66聚焦成单像素探测器114上的在焦像平面47中的点像48。在图1j中，光束P22(见图1a和1d)47中的点像48。在图1j中，光束P22(见图1a和1d)的一部分被离焦像平面57内的一个“离焦”点像58处的物体材料反射和/或散射，变成由光束B52-1、-2、-3、-4所组成的光束B52。光束B52从离焦点像58发散并进入透镜46。如图1j的示，光束B52从透镜46出射时变成由光束B52A-1、-2、-3、-4所组成的基本上准直的光束B52A。光束B52A-1、-2、-3、-4分别透过移相器24-4、-3、-2、-1，出射时分别成为光束B52B-1、-2、-3、-4。光束B52B-1、-2、-3、-4组成了光束B52B。由移相器24-1与24-3所导入的相移量是相同的。比移相器24-2或24-4所导入的多π弧度。光束B52B被分束器100部分地反射，变成由光束B52C-1、-2、-3、-4所组成的光束B52C。光束B52C透过透镜66射出时变成由光束B52D-1、-2、-3、-4所组成的光束B52D。光束B52D被透镜66聚焦在位于偏离了在焦像平面47的离焦像平面67中的点像68处。

图1a-1j所示本发明设备的工作基于获取单像素探测器114测得的一组4个强度值。这组4个强度值I₁、I₂、I₃和I₄是单像素探测器114在移相器44导入一组不同相移量(参考光束的总相移量，包括沿两个方向透过移相器44时所产生的相移量)x₀、x₀+π、x₀+π/2和x₀+3π/2弧度的情形下分别测得的，其中x₀是某一固定的相移量。(当然，移相器34和44的作用可以结合在单个受计算机118控制的移相器中)4个强度值I₁、I₂、I₃、I₄作为信号131以数字或模拟形式被传送给计算机118，进行后续的处理。在探测器114或者在计算机118中含有普通的转换电路即模/数转换器，用来把4个强度值I₁、I₂、I₃、I₄转换成数字形式。移相器44的相移量受信号132控制，该信号是计算机118根据后面将给出的等式(25)产生和发送的。移相器44可以是电光型的或者是后者将说明的用于宽带光波长操作的类型。然后，计算机118根据后面将给出的等式(24a)和(24b)计算出强度差I₁-I₂和I₃-I₄，这两个差中以较高效率所含的内容仅为在焦散射探测光束P32D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项。

以较高的效率分离出在焦散射探测光束P32D(见图1h)的复振幅与在焦反射参考光束R32D(见图1I)的复振幅之间的干涉交叉项的原因来自两个系统特性。第一个系统特性是，除了一个复尺度因子之外，在焦散射探测光束P32D和在焦反射参考光束R32D的复振幅空间分布对于移相器44所导入任何相移量的情况都是基本相同的。第二个系统特性是，当移相器44所导入的相移量增加或减小π、3π…弧度时，在焦散射探测光束P32D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项将改变正负号。由于这第二个系统特性，在强度差I₁-I₂和I₃-I₄中这个干涉交叉项不会互相抵消。然而，所有不是干涉交叉项的项，即在焦散射探测光束P32D和在焦反射参考光束R32D的强度，将在强度差I₁-I₂和I₃-I₄中抵消。上述的两个系统特性是共焦干涉显微镜的共同特性，因此下面将叫做“共焦干涉系统特性”。

对于在焦点像48处的离焦散射探测光束B52D(见图1j)，则由于共焦干涉系统特性，强度差I₁-I₂和I₃-I₄中将只会含有离焦散射探测光束B52D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项。不过，这后一个交叉项的大小将远小于以往共焦干涉显微镜中的相应干涉交叉项大小。

对于在散射探测光束P32D和离焦散射探测光束B52D同时出现的一般情况，强度差I₁-I₂和I₃-I₄中将有两个干涉交叉项，即在焦散射探测光束P32D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项和离焦散射探测光束B52D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项。注意，由于共焦干涉系统特性，离焦散射探测光束B52D的复振幅与在焦反射参考光束P32D的复振幅之间的干涉交叉项在强度差I₁-I₂和I₃-I₄中是被抵消掉的。

离焦散射探测光束B52D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项代表了来自离焦像的背景。与以往技术干涉共焦显微系统相比，本发明设备中的离焦散射探测光束B52D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项的大小一般是减小了，而在焦散射探测光束P32D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项的大小却基本上没有减小。前一干涉交叉项的减小部分地是因为一个光束的振幅是随着至像平面的距离的增大而减小的。这个性质是以往技术共焦干涉显微镜减小背景的基础。然而，在本发明的设备中，这前一干涉交叉项大小的减小比以往技术共焦干涉显微术的减小有所增强。

上一段中所说的“减小有所增强”是通过提供移相器14、24、和34来实现的。移相器14、24和34改变了在焦像平面47处的在焦散射探测光束P32D、在焦反射参考光束R32D和离焦散射探测光束B52D的复振幅的空间性质。虽然在焦散射探测光束P32D和在焦反射参考光束R32D的复振幅的空间性质都被移相器14、24和34改变了，但它们各自的复振幅的改变后的空间分布基本上是相同的。这个特性在先前讨论强度差I₁-I₂和I₃-I₄对在焦散射探测光束P32D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项的敏感性时曾指出过。

然而，离焦散射探测光束B52D的复振幅和在焦反射参考光束R32D的复振幅各自改变后的分布在在焦像平面47上是明显不同的。在焦反射参考光束R32D的复振幅对于该光束的中心是一个反对称函数。反之，离焦散射探测光束B52D中的那个与在焦反射参考光束R32D的复振幅发生干涉的部分是主要与图1j所示光束B52D-1、-2、-3或-4中的一个光束相关连的复振幅，这个复振幅在反射参考光束R32D的在焦像空间范围内只有小的相对变化。于是，离焦散射探测光束B52D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项的空间分布的主要成分是关于在焦反射参考光束R32D的中心的一个反对称分布。

这个干涉交叉项对点像48处的单像素探测器114所记录的强度值的贡献是它在反射参考光束R32D的在焦像空间范围内的积分。一个反对称函数在以该函数的反对称轴为中心的一个空间范围内的积分等于零。所以，离焦散射探测光束B52D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项对像点48处的单像素探测器114所记录的强度值的净贡献的减小程度要远远超过以往技术共焦显微术所能达到的减小强度。

例如，在图1a-1j的系统中，由离焦散射探测光束B52D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉在单像素探测器114中所产生的光电子数目要远小于以往技术中的。因为积分电荷的统计不确定性，进而输出信号的统计不确定性，是与单像素探测器中所产生的光电子的积分数目的平方根有关，所以在图1a-1j的设备中输出信号的统计误差被大为减小。

在本第一实施例的详细说明中曾指出，在光束P22C-1、-2、-3、-4中的任何两个光束之间没有净相移量。这一特性使得有可能达到本第一实施例的详细说明中所指出的下述目的：所产生的针孔8在物体材料112内的在焦像平面27中的，和参考反射镜120上的在焦像平面37中的两个共轭像，基本上不会因分别存在移相器14和24以及移相器14和34而有所改变，但与物体材料112内的像点28和参考反射镜120上的在焦像平面37中的像点38相共轭的在焦像平面47中的在焦像却因这些移相器的存在而产生了明显的变化。

通过考虑如果在第一实施例中除去了移相器14将会造成什么样的后果，也可以得到关于移相器14、24、与34之间相互关系的深入了解。这时，在焦反射参考光束R32D的复振幅颁将由反对称函数变成对称函数，而离焦散射探测光束B52D的空间性质却基本没有改变。于是，离焦散射探测光束B52D的复振幅与在焦反射参考光束R32D的复振幅之间的干涉交叉项的空间分布将基本是一个相对于在焦反射参考光束R32D的中心的对称分布。但由于一个对称涵数在中心位于函数对称轴处的一个空间范围内的积分通常不等于零，所以由像点48处的单像素探测器114所记录的强度值的减小程度将基本上不会超过以往技术共焦显微术所能达到的减小程度。

虽然上面的说明仅针对了物体材料112中一个特定部分处的一个特定部分处的一个特定的在焦像点28，但计算机118可以通过给移动器116以控制信号133使之把物体材料112的其他部分移动到在焦像点28处，从而让系统实现对物体材料112中的希望线段、平面截面、或体积区域的“扫描”。

现在参见图2a-2d，图2a以示意图形式示出了本发明的第二实施例，其中光源子系统80a和探测器子系统84a能有利地构形成一种狭缝共焦显微术系统。在图2a-2d中，与前面参考图1a-1j所说明的元件相类似的元件用类似的代号来表示。图2b所示子系统80a中的改变发生在光源10a的区域中，现在区域最好含有一个宽带空间非相干的线光源，最好是一个灯丝或激光二极管阵列；改变还发生在第一实施例的针孔8的区域中，现在该区域最好是一个与透镜6所形成的线光源10a的像相对齐的光源针孔线阵8a。图2c和2d所示的子系统84a的改变在于探测器114a的区域，现在第一实施例像平面47中的针孔最好改变成一个对齐于像平面47中的光源针孔线阵8a的像的探测器针孔线阵，同时第一实施例的单像素探测器114现在最好改变成由一个像素线阵列所组成的探测器线阵114a。在图2b中，光源针孔线阵8a和光源10a沿垂直于图2b平面的方向排列；在图2c和2d中，探测器针孔线阵和探测器像素线阵沿垂直于图2c和2d的平面排列。

图2a-2d所示第二实施例的其余部分最好与上述图1a-1j的第一优选实施例的相同，这里不再作说明。

现在参见图3a-3j，其中示出了本发明的第三实施例，其中第一优选实施例的参考光束和探测光束的光路已被改变，以改进和优化信噪化。第三实施例的设备和电子处理装置基本上与第一优选实施例中的相同，只是这里增加了用来对第一实施例的干涉仪重新构形的附加光学装置，使得参考光束与探测光束的振幅比值可被调节；在第三优选实施例和第一优选实施例中，具有类似代号的光学元件执行类似的操作，电子处理装置执行所说明的类似电子操作。参考光束与探测光束的振幅比值是通过改变图3a中的分束器100、100a和100b的透射/反射系数来调节的。例如，在图1a-1j中，分别产生了反射参考光束R32D和在焦散射探测光束P32D的两个原始光束都在分束器100上经历了一次透射和一次反射。所以，图1a-1j中的参考光束R32D与探测光束P32D的振幅比值不能通过改变分束器100的透射/反射系数来调节。但是，在图3a-3j中，反射参考光束R32D的原始光束分别在分束器100和100a上经历了一次透射和一次反射，而在焦散射探测光束P32D的原始光束却在分束器100a上经历了一次透射，在分束器100上经历了一次透射和一次反射。于是反射参考光束R32D和在焦散射探测光束P32D的原始光束不像图1a-1j情形中那样受到分束器100和100a相同的对待。例如，在图3a-3j的实施例中，反射参考光束R32D与在焦散射探测光束P32D的振幅比值可以通过增大分束器100的透射系数和/或增大分束器100a的反射系数来提高。

如图3a-3j所示，本发明的第三优选实施例是一个由分束器100、100a和100b，物体材料112，一个参考反射镜120，以及一个探测器114所组成的干涉仪。这种构形在本技术领域内被认为是迈克耳逊干涉仪的一种形式，这里示出的是一个简单的例子。可以在图3a-3j的设备中采用本技术领域所知的其他形式的干涉仪，例如在前述Zanoni的论文“Differential Interferometer Arrangements for Distance andAngle Measurements：Principles，Advantages，and Applications”中所说明的偏振迈克耳逊干涉仪，这样做不会明显偏离本发明第三优选实施例的精神和范畴。

图3b以示意图形式示出图3a所示子系统80的实施例。对于第三优选实施例，光源10最好是一个点光源或是一个其表面各处的辐射是空间非相干的光源，最好是一个激光器或类似的相干光源或部分相干辐射光源，并且最好是偏振的。光源10发出对准于子系统80的光轴3的输入光束2。如图3b所示，光束2进入聚焦透镜6并被聚焦在像平面7中的一个针孔8上。由光束12-1、-2、-3、-4所组成的光束12从针孔8发散，进入一个其光轴对准于子系统80的光轴3的透镜16。光束12从透镜16出射时变成由光束12A-1、-2、-3、-4所组成的准直光束12A，进入移相器14。移相器14由一些矩形移相器14-1、14-2、14-2、14-4组成，它们各自的光轴都平行于子系统80的光轴3。应该指出，这些矩形移相器的数目可以是一个任意适当的数2m，其中m为整数。图3b所示例子对应于m＝2的情况，4个移相器已足以清楚地表明本发明设备各个部件之间的关系。平行光束12A-1、-2、-3、-4分别透过移相器14-1、14-2、14-3、14-4，从移相器14出射时分别变成光束12B-1、-2、-3、-4，这后4个光束组成了光束12B。移相器14-2和14-4所导入的相移量都比移相器14-1或14-3所导入的多π弧度，移相器14-1和14-3所导入的相移量是相同的。

在图3a中，光束12B从子系统80射出，部分地透过分束器100a，变成由光束P12B-1、-2、-3、-4所组成的光束P12B。光束P12B进入子系统81a。在图3c中，光束P12B进入透镜26a，出射时变成由光束P12C-1、-2、-3、-4所组成的光束P12C。透镜26a把光束P12C聚焦成在焦像平面17a中的点像18a。光束P12C从点像18a射出时变成由光束P22-1、-2、-3、-4所组成的光束P22。光束P22进入一个其光轴对准子系统81a的光轴3的透镜36a。光束P22从透镜36a射出时变成由光束P22A-1、-2、-3、-4所组成的准直光束P22A，然后离开子系统81a。

如图3a所示，光束P22A被分束器100部分地透射，变成由光束P22B-1、-2、-3、-4所组成的光束P22B，然后进入图3d所示的子系统82。

在图3d中，光束P22B入射到一个含有单元24-1、-2、-3、-4的移相器24上。移相器24所含的单元数2m与移相器14的相同，图3d示出的是m＝2的情况。光束P22B-1、-2、-3、-4分别透过移相器24-1、-2、-3、-4，出射时分别变成光束P22C-1、-2、-3、-4，它们组成了光束P22C。由移相器24-1和24-3所导入的相移量是相同的，都比移相器24-2或24-4所导入的多π弧度，移相器24-2与42-4所导入的相移量是相同的。于是如前面所说明的，在光束P22C-1、-2、-3、-4中的任何两个光束之间没有净相对相移。光束P22C透过透镜46，变成由光束P22D-1、-2、-3、-4所组成的光束P22D，后者被聚焦成物体材料112中的在焦像平面27上的点像28。透镜46的光轴是对准于子系统82的光轴3的。

在图3a中，光束12B被分束器100a部分地反射，变成由光束R12B-1、-2、-3、-4所组成的光束R12B。光束R12B进入子系统81b。

在图3e中，光束R12B进入透镜26b，出射时变成由光束R12C-1、-2、-3、-4所组成的光束R12C。透镜26b的光轴是对准于子系统81b的光轴3b的。透镜26b和平面反射镜120b一起把光束R12C聚焦成在焦像平面17b上的点像18b。光束R12C从点像18b发散，变成由光束R22-1、-2、-3、-4所组成的光束R22。光束R22进入一个光轴对准于子系统81b的光轴3c的透镜36b。光束R22从透镜36b出射时变成由光束R22A-1、-2、-3、-4所组成的准直光束R22A，然后离开子系统81b。

如图3a所示，离开了子系统81b的光束R22A进入子系统83a。在图3f所示的子系统83a中，光束R22A入射到由移相器单元34a-1、-2、-3、-4所组成的移相器34a上。移相器34a所含的单元数2m与移相器14所含的相同，图3f示出的是m＝2的情形。光束R22A透过移相器34a后变成光束R22B，然后被部分反射成由光束R22C-1、-2、-3、-4所组成的光束R22C。由移相器34a-1和34a-3所导入的相移量相同，比移相器34a-2或34a-4导入的多π弧度，移相器34a-2和34a-4所导入的相移量是相同的。因此在光束R22C-1、-2、-3、-4中的任何两个光束之间没有净相对相移。光束R22C透过透镜56a，变成由光束R22D-1、-2、-3、-4所组成的光束R22D。光束R22D被透镜56a聚焦成参考反射镜120上的在焦像平面37中的点像38。透镜56a的光轴是对准子子系统83a的光轴3a的。

在图3g中，光束P22D(见图3d)的一部分点像28处的物体材料反射和/或散射，变成由多个光束P32-1、-2、-3、-4所组成的光束P32。光束P32从在焦像平面27中的点像28处发散，进入透镜46。如图3g所示，光束P32从透镜46射出时变成由光束P32A-1、-2、-3、-4所组成的准直光束P32A。光束P32A-1、-2、-3、-4分别透过移相器24-4、-3、-2、-1，出射时分别变成光束P32B-1、-2、-3、-4。光束P32B-1、-2、-3、-4组成了光束P32B，从子系统82射出。由移相器24-1与24-3所导入的相移量是相同的，比由移相器24-2或24-4所导入的多π弧度，移相器24-2与24-4所导入的相移量是相同的。

在图3h中，光束R22D(见图3f)被参考反射镜120反射，变成由光束R32-1、-2、-3、-4所组成的光束R32。光束R32从在焦像平面37中的点像38处发散，进入透镜56a。如图3h所示，光束R32从透镜56a出射时变成由光束R32A-1、-2、-3、-4所组成的准直光束R32A。光束R32A-1、-2、-3、-4被分束器100b部分地透射，接着，部分透射的各个光束透过移相器44，接着再分透过移相器34-4、-3、-2、-1，出射时分别变成R32B-1、-2、-3、-4。由移相器44所导入的相移量受来自计算机118的信号132控制。由移相器34-1和34-3所导入的相移量是相同的，由移相器34-1或34-4所导入的相移量是相同的，比由移相器34-2与34-4所导入的多π弧度，由移相器34-2与34-4所导入的相移量是相同的。光束R32B-1、-2、-3、-4组成了光束R32B，从子系统83a射出。

图3a示出，光束P32B被分束器100部分地反射，变成由光束P32C-1、-2、-3、-4所组成的光束P32C。光束P32C进入图3I所示的子系统84，接着透过透镜66，出射时变成由光束P32D-1、-2、-3、-4所组成的光束P32D。光束P32D被透镜66聚焦成单像素探测器114上在焦像平面47中的点像48。透镜66的光轴是对准于子系统84的光轴3a的。

图3a示出，光束R32B被分束部分地透射，变成由光束R32C-1、-2、-3、-4的组成的光束R32C。接着光束R32C进入图3j所示的子系统84。在图3j中，光束R32C透过透镜66，射出时成为由光束R32D-1、-2、-3、-4所组成的光束R32D。光束R32D被透射66聚焦成单像素探测器114上在焦像平面47中的点像48。

图3a-3j所示的第三实施例的其余情况最好与对图1a-1j所说明的相同，这里不再重复说明。

现在参见图4a-4d，其中以示意图形式示出了本发明的第四实施例，其中的光学子系统80a和探测器子系统84a最好被构形成狭缝共焦显微系统。图4a-4d中与图3a-3j中类似的元件用类似的代号表示。图4b所示的子系统80a的改变在于光源10a的部分，现在它最好由一个宽带、空间非相干的线光源组成，最好是一个灯丝或激光二极管阵列；第三实施例中的针孔8的部分现在最好由一个与透镜6所成的线光源10a的像相对齐的光源针孔线阵8a组成。图4c和4d所示子系统84a的改变在于探测器114a的部分，其中第三实施例的像平面47中的针孔现在最好是一个与电源针孔线阵8a在像平面47上的像相对齐的探测器针也阵列，并且第三实施例的单像探测器114现在最好是一个由一个像素线阵所组成的探测器线阵114a。在图4b中，光源针孔线阵8a和光源线阵10a垂直于图4b的平面排列，在图4c和4d中，探测器针孔线阵和探测器像素线阵垂直于图4c和4d的平面排列。

图4a-4d所示第四实施例的其余部分最好与对图3a-3j中第三优选实施例所说明的相同，这里不再重复。

现在参见图5a-5f，那里示出了本发明的第五实施例，其中为了在从名义上以与探测光束传播方向相同的方向透过物体材料的光获得图像的情况中，能区分在焦像的复振幅与离焦像的复振幅，第一和第三实施例的参考光束和探测光束的光路被改变了。如果5a-5f所示，本发明的第五优选实施例是一个由分束器100a和100c、物体材料112、折迭反射镜120b和120c、以及探测器114所组成的干涉仪。这种构形在本技术领域中称作马赫—陈德尔干涉仪，这里示出的是一个简单的例子。在图5a-5f的设备中也可以采用本技术领域所知的其他形式的干涉仪，而不会明显偏离本发明第五优选实施例的精神和范畴。

图5b以示意图形式示出图5a中的子系统80b的实施例。对于第五优选实施例，光源10最好是一个点光源或一个其表面各处的辐射是空间不相干的光源，最好是一个激光器或类似的相干或部分相干辐射光源，并且最好是偏振的。光源10发出与子系统80b的光轴3相对准的入射光束2。如图5b所示，光束2进入聚焦透镜6并被聚焦在像平面7中的针孔8上。由多个光束12-1、-2、-3、-4所组成的光束12从针孔8处发散，进入一个其光轴对准于子系统80b的光轴3的透镜16。光束12从透镜16射出时变成由光束12A-1、-2、-3、-4所组成的准直光束12A，然后离开子系统80b。

在图5a中，光束12A离开子系统80b后成为光束12B，光束12B被分束器100a部分透射变成由光束P12B-1、-2、-3、-4所组成的光束P12B。光束P12B进入子系统82a。在图5c中，光束P12B进入透镜46a，出射时变成由光束P12C-1、-2、-3、-4所组成的光束P12C。透镜46a把光束P12C聚焦成物体材料112中在焦像平面47中的点像48。透镜46a的光轴是对准于子系统82a的光轴3的。在图5c中，光束P12C的一部分在经过点像48后透过物体材料112，变成由光束P22-1、-2、-3、-4所组成的光束P22。光束P22从在焦像平面47中的点像48发散，进入透镜46。如图5c所示，光束P22从透镜46b射出时变成由光束P32-1、-2、-3、-4所组成的光束P32。光束P32离开子系统82a。

在图5a中，光束12B被分束器100a部分地反射成由光束R12B-1、-2、-3、-4所组成的光束R12B。光束R12B进入子系统81b。

在图5d中，光束R12B进入透镜26b，出射时变成由光束R12C-1、-2、-3、-4所组成的光束R12C。透镜26b的光轴是对准于子系统81b的光轴3b的。透镜26b与平面反射镜120b一起把光束R12C聚焦成在焦像平面17b中的点像18b。光束R12C从点像18b射出时变成由光束R32-1、-2、-3、-4所组成的光束R32。光束R32进入一个其光轴对准于子系统81b的光轴3c的透镜36b。光束R32从透镜36b出射时变成由光束R32A-1、-2、-3、-4所组成的光束R32A，然后离开子系统81b。

参见图5a，其中示出光束P32被反射镜120c反射，变成光束P32A，进入子系统85。在图5e中，光束进入子系统85并入射到移相器24a上。光束P32A-1、-2、-3、-4分别透过移相器24a-1、-2、-3、-4，出射时分别变成光束P32B-1、-2、-3、-4。光束P32B-1、-2、-3、-4组成了光束P32B。移相器24a-1与24a-3所导入的相移量是相同的，比移相器24a-2或24a-4所导入的多π弧度，移相器24a-2与24a-4所导入的相移量是相同的。

图5e示出，光束P32B被分束器100c部分地反射，变成由光束P32C-1、-2、-3、-4所组成的光束P32C。光束P32C透过透镜66，出射时变成由光束P32D-1、-2、-3、-4所组成的光束P32D。光束P32D被透镜66聚焦成单像素探测器114上在焦像平面47中的点像48。透镜66的光轴是对准于子系统85的光轴3C的。

回到图5a，其中示出光束R32A进入子系统85。在图5f所示的子系统85中，光束R32A-1、-2、-3、-4首先分别透过移相器34-1、-2、-3、-4，然后透过移相器44，出射时分别变为光束R32B-1、-2、-3、-4。光束R32B-1、-2、-3、-4组成了光束R32B。由移相器44所导入的相移量受来自计算机118的信号132控制。移相器34-1与34-3所导入的相移量相同，比由移相器34-2或34-4所导入的多π弧度，由移在34-2与34-4所导入的相移量是相同的。光束R32B被分束器100C部分地透射，变成由光束R32C-1、-2、-3、-4所组成的光束R32C。光束R32C透过透镜66，出射时变成由光束R32D-1、-2、-3、-4所组成的光束R32D。光束R32D被透镜66聚焦成单像素探测器114上在焦像平面47中的点像48。

图5a-5f所示第五实施例的其余情况最好与对图1a-1j和图3a-3j所说明的相同，这里不再说明。

现在参见图6a-6d，那里以示意图形式示出了本发明的第六实施例其中的光源子系统80c和探测器子系统85a最好被构形成狭缝共焦显微系统。图6a-6d中与前述图5a-5f中类似的元件用类似的代号表示。图6b所示子系统80c的改变在于光源10a的部分，现在它最好含有一个宽带。空间非相干的线光源，最好是一个灯丝阵列或激光二极管阵列，在第五实施例的针孔8的部分，现在最好含有一个与由透镜6所成的线光源6a的像相对齐的光源针孔线阵8a。图6c和6d所示子系统85a的改变在于探测器114a的部分，其中第五实施例的像平面47中的针孔现在最好是一个与像平面47上的光源针孔线阵8a的像相对齐的探测器针孔线阵，并且第五实施例的单像探测器114现在最好是一个由一个像素线阵所组成的探测器线阵114a。在图6b中，光源针孔线阵8a和光源线阵10a垂直于图6b的平面排列；在图6c和6d中，探测器针孔线阵和探测器像来线阵垂直于图6c和6d的平面排列。

图6a-6d所示第六实施例的其余部分最好与对第五优选实施例的图5a-5f所说明的相同，这里不再说明。

熟悉本技术领域的人们应会看到，在不偏离本发明的精神和范畴的情况下，为了改变本发明设备对减小来自离焦像的信号的程序和空间分辨率的性质，可以对移相器14、24、24a、34和34a应用除旁瓣技术。他们还应会看到，在不偏离本发明精神和范畴的情况下，移相器14、24、24a、34和34a的功能也可以用其他的移相器组合达到，或者被构形成具有一组同心圆单元或其他几何图案单元的元件。

移相器14、24、24a、34、34a和44可以是电光类型的或其他色散光学元件类型的。关于色散光学元件类型的参考文献将在下面讨论宽带操作的段落中给出。或者，这里所说明的由移相器44所导入的相移也可以通过使反射镜移动来产生，例如使参考反射镜120沿子系统83和83a的光轴3a的方向移动。

如果由移相器14、24、24a、34、34a和44所导入的相移量与波长无关，则本发明设备对宽带光源的性能可得到改进。通过把移相器14、24、24a、34、34a和44适当地设计成例如下述两个专利所公开的类型，则有可能满足宽带移相器的要求，这两个专利是：1980年7月授予H.A.Hill(希尔)、J.W.Figoski(费戈斯基)和P.T.Ballard(巴拉德)的美国专利No.4,213,706：“Background CompensatingInterferometer(带背景补偿的干涉仪)”和1981年12月授予H.A.Hill、J.W.Figoski和P.T.Ballard的美国专利No.4,304,464，后者的标题也是“Background Compensating Interferometer”，这两个专利在此引用作为参考。在前述Hill、Oglesby和Ziebell的论文中公开了一个基于上述美国专利No.4,304,464的适用于本发明六个优选实施例的宽带移相器设计。

                       理论

                  背景振幅的减小

前述各优选实施例中所描述的设备全都是针孔共焦干涉显微系统或狭缝共焦干涉显微系统的例子。共焦显微系统的背景减小能力是其最重要的属性之一，这个能力起因于共焦显微术强大的光学分层性质。这与普通显微术中靠限制景深有完全不同的性质，其差别在于，在普通显微镜中离焦信息仅仅是被模糊化了，而在共焦系统中探测到的离焦信息确实被大为减少：在轴向偏离了焦平面的某个地点所散射的光在探测器下面上是离焦的，因此不能有效地通过设置在探测器平面上的一个掩膜，请参见C.J.R.Sheppard(库帕德)和C.J.Cogswll(考格斯威尔)在T.Wilson(威尔逊)所编的著作《Confocal Microscopy(共焦显微术)》(Academic Press，London，1990)中的文章“Three-dimensional Imaging In Confocal Microscopy(共焦显微术中的三维成像)”(pp143-169)。

图1a-1j、2a-2d、3a-3j、4a-4d、5a-5f、6a-6d中的本发明共焦干涉显微镜的一个不寻常的特性是，反射或透射的参考光束以及散射或透射的探测光束都因受到光瞳函数的影响而使其在焦像点48处发生明显改变，但在焦像点48处的离焦光束部分却基本上没有改变。在本技术领域中，人们知道共焦干涉显微系统是一种为获得物体的二维和三维像而改进光学分层的手段；而改变显微镜的光瞳函数(见M.玻恩和E.沃耳夫，《Principles of Optics(光学原理)》，第8.6，3节，423-427(Pergamon Press，New York，1959)是一种为某些特定应用而改进对比度的手段。不过，发明人相信，把共焦干涉显微术和改变光瞳函数结合在同一个系统中以减小由背景光造成的系统误差和统计误差，则是首次在这里提出的。

             在焦像的脉冲响应函数

非荧光共焦扫描显微镜有两种有用的模式：反射模式和透射模式。请参见C.J.R.Sheppard在《Advances in Optical and ElectronMicroscopy，10(光学和电子显微术进展，10)》中的文章“ScanningOptical Microscopy(扫描光学显微术)”以及C.J.R.Sheppard和.A.Choudhury(楚赫利)在OpticaActa，24(10)，1051-1073(1977)上发表的论文。实际上，利用共焦显微镜通过使物体沿轴向扫描能容易地实现光学分层，从而形成三维像。请参见C.J.R Sheppard和C.J.Cogswell在J.Microscopy，159(pt2)，179-194(1990)上发表的论文；C.J.R.Sheppard和T.Wilson在Opt.Lett.3，115-117(1978)上发表的论文；以及C.J.R.Sheppard，D.K.Hamilton，和I.J.Cox发表在Proc.R.Soc.Lond.，A387，171-186(1983)上的论文。

考虑一个有三个成像部分的反射模式共焦显微结构(图7)，通过适当地改变坐标系统和对未散射探测光束的处理，可以从反射模式共焦显微镜的性质得到透射模式共焦显微镜的性质。与含有光源10、物体112和探测器114的由图1b-1j所示的子系统的组合相比较，图7的透镜1等价于透镜16与26的组合，图7的透镜2等价于透镜36与46的组合，图7的透镜3等价于透镜46与66的组合。我们给下述4个空间定义光学坐标系(v_i，w_i，u_i)：像平面7A空间、像平面17A空间、物体112或参考反射镜120空间、和探测器114的像空间47A，这4个空间对应的i值依次为i＝1，2，0，3。这时有： ${\mathrm{\υ}}_i=k\widetilde{x_i}\sin {\mathrm{\α}}_i,$ $w_i=k\widetilde{y_i}\sin {\mathrm{\α}}_i----\left(1\right)$ $u_i=4k{\widetilde{z_i}\sin }^2({\mathrm{\α}}_i/2),$ 其中，sinα_i是第i空间的数值孔径，k＝2π/λ是波数，λ是辐射在真空中的波长， 是第i空间中的光程距离。光程距离的定义是： $\widetilde{x_i}={\∫}_0^{s_i}n(x_i^{\′},y_i^{\′},z_i^{\′}){\mathrm{dx}}_i^{\′},$ $\widetilde{y_i}={\∫}_0^{y_i}n(x_i^{\′},y_i^{\′},z_i^{\′})d{y}_i^{\′},----\left(2\right)$ $\widetilde{z_i}={\∫}_0^{z_i}(x_i^{\′},y_i^{\′},z_i^{\′}){\mathrm{dz}}_i^{\′}$ 其中的积分路径沿着相应的光线，n(x_i′、y_i′、z_i′)是(x_i′、y_i′、z_i′)处的折射率。

已经证明，共焦显微镜中的成像性能类似于相干显微镜(见前述Sheppard和Choudhury的论文)，其中的像可以用相干传递函数来描述，相干传递函数是脉冲响应函数的傅里叶变换。因此，图7系统的有效三维脉冲响应函数he(V₃，V₀，V₂，V₁)可表示为h_e(v₃，v₀，v₂，v₁)＝h₃(v₃-v₀)h₂(v₀-v₂)h₁(v₂-v₁)，    (3)其中 $h_1\left(v\right)={\∫\∫P}_1({\mathrm{\ξ}}_1,{\mathrm{\η}}_1)\exp \{\mathrm{ju}\[\frac{1}{{4\sin }^2({\mathrm{\α}}_1/2)}-\frac{1}{2}({{\mathrm{\ξ}}_1}^2+{{\mathrm{\η}}_1}^2)\]\}----\left(4a\right)$ ×exp[-j(ξ₁υ+η₁w)+jkW₁]dξ₁dη₁； $h_2\left(v\right)=\∫\∫P_2({\mathrm{\ξ}}_2,{\mathrm{\η}}_2)\exp \{\mathrm{ju}\[\frac{1}{{4\sin }^2({\mathrm{\α}}_2/2)}-\frac{1}{2}({{\mathrm{\ξ}}_2}^2+{{\mathrm{\η}}_2}^2)\]\}$ ×exp[-j(ξ₂υ+η₂w)+W₂]dξ₂dη₂；    (4b) $h_3\left(v\right)={\∫\∫P}_3({\mathrm{\ξ}}_3,{\mathrm{\η}}_3)\exp \{-\mathrm{ju}\[\frac{1}{{4\sin }^2({\mathrm{\α}}_3/2)}-\frac{1}{2}({{\mathrm{\ξ}}_3}^2+{{\mathrm{\η}}_3}^2)\]\}$ ×exp[-j(ξ₃υ+η₃w)+W₃]dξ₃dη₃；    (4c)h_i、p_i和w_i分别是第i个等价透镜的脉冲响应函数、光瞳函数和波差(波像差)函数(见M.Gu(顾)和C.J.R.Sheppard在Appl.Opt.31(14)，2541-2549(1992)上发表的论文中的参考文献10-12)；j是(-1)^1/2。脉冲响应函数是响应于一个点源物体时像平面中的振幅。移相器14、24、24a、34、34a和44的作用可归入相应的光瞳函数p_i中。移相器14、24、24a、34、34a和44的任何消旁瓣作用也被归入相应的p_i。

假定三维物体可由代表单位体积的散射的散射分布t(V₀)来表征(见C.J.R.Sheppard和X.Q.Mao(毛)在J.0pt.Soc.Am.A，6(9)，1260-1269(1989)上发表的论文)，t(V₀)与折射率n的关系是：

t(v₀)＝jk²[1-n²(v₀)]    (5)

见E.Wolf(沃耳夫)在Opt.Commun.，1，153-156(1969)上发表的论文。一般n和t都是复数，等式(5)中的j说明在无损耗媒质中散射波与直射波的相位正交。假定多次散射的效应可以忽略。我们还忽略未散射的辐射，对于反射模式由于没有直射(未散射)辐射会对像有贡献，这个假定是成立的。由于叠加原理成立，所以像振幅可看成是构成物体的各个基元断层的贡献的和。此外还必须在整个非相干光源面上对振幅分布A(V₁)积分。对于物体的入射辐射和反射/散射辐射，还必需包括表明辐射在物体中的衰减的衰减函数a(V₀)。于是像空间47A的在焦散射探测光束U_s的振幅由下式给出 $U_s\left(v_3\right)={\left(R_1{T}_1\right)}^{1/2}\∫\∫A\left(v_1\right)\{\∫\∫\∫\[\∫\∫h_2\left(v_2{-v}_1\right)h_2(v_0-v_2){\mathrm{dv}}_2\]$ ×a(v₀)t(v₀)a(v₀)h₃(v₃-v₀)dv₀}dv₁    (6)其中R₁和T₁分别是分束100器的反射和透射系数。

各透镜的脉冲响应函数可写成： $h_1(v_2-v_1)=\{\exp \[\mathrm{jk}(\widetilde{Z_2}-\widetilde{Z_1})\]\}{h}_1^{\′}(v_2-v_1)---\left(7a\right)$ $h_2(v_0-v_2)=\{\exp \[\mathrm{jk}(\widetilde{Z_0}-\widetilde{Z_2})\]\}{h}_2^{\′}(v_0-v_2)---\left(7b\right)$ $h_3(v_3-v_0)=\{\exp \[\mathrm{jk}(\widetilde{Z_0}-\widetilde{Z_3})\]\}{h}_3^{\′}(v_3-v_0)---\left(7c\right)$ 其中 $h_1^{\′}(v_2-v_1)={\∫\∫P}_1({\mathrm{\ξ}}_1,{\mathrm{\η}}_1)\exp \{{\mathrm{ju}}_2\[\frac{1}{2}({{\mathrm{\ξ}}_1}^2+{{\mathrm{\η}}_1}^2)\]\}$ ×((exp{-j[ξ₁(υ₂-υ₁)+η₁(w₂-w₁)]+jkW₁}))dξ₁dη₁，(8a) $h_2^{\′}(v_0-v_2)={\∫\∫P}_2({\mathrm{\ξ}}_2,{\mathrm{\η}}_2)\exp \{j(u_0-u_2)\[\frac{1}{2}({{\mathrm{\ξ}}_2}^2+{{\mathrm{\η}}_2}^2)\]\}$ ×((exp{-j[ξ₂(υ₀-υ₂)+η₂(w₀-w₂)]+jkW₂}))dξ₂dη₂，(8b) $h_3^{\′}(v_3-v_0)={\∫\∫P}_3({\mathrm{\ξ}}_3,{\mathrm{\η}}_3)\exp \{-{\mathrm{ju}}_0\[\frac{1}{2}({{\mathrm{\ξ}}_3}^2+{{\mathrm{\η}}_3}^2)\]\}$ ×((exp{-j[ξ₃(υ₃-υ₀)+η₃(w₃-w₀)]+jkW₃}))dξ₂dη₂  (8c)等式(7c)中因子

的正负号与等式(7a)和(7b)中相应因子的不同，这是因为在V₀空间中发生了反射。把等式(7a)、(7b)、(7c)代入等式(6)，并执行对V₂空间的积分，得到下述U_S(V₃)的表达式： $U_S\left(v_3\right)={\left(R_1{T}_1\right)}^{1/2}\∫\∫A\left(v_1\right)\{\∫\exp \left(j2k\widetilde{z_0}\right)\[\∫\∫h_1^{\′}(v_0-v_1)a\left(v_0\right)t\left(v_0\right)$ ×a(v₀)h₃′(v₃-v₀)dυ₀dw₀]dz₀}dυ₁dw₁    (9)其中已假定在像空间17A中没有空间滤波，并且波差函数W₂已与W₁结合。通过设定

，即，

，就可从等式(9)得到透射模式共焦显微镜结构的相应U_S(V₃)表达式。

为了简单，假定在本公开中波差函数W_i＝1，并且光瞳函数P_I没有消旁瓣功能，即移相器14、24、24a、34、34a和44没有消旁瓣功能。熟悉本技术领域的人们应可看到，如果例如为了改变分辨率而采用了消旁瓣技术，则得到的U_S(V₃)表达式将更为复杂，不过，关于其对称或反对称空间性质这一重要特性仍是相同的。在这些简化假设之下，对于级别1的鉴别情况等式(9)的积分将给出 $U_S\left(v_3\right)=\left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{a^{\′}}{d_0}\right){\left(R_1{T}_1\right)}^{1/2}\∫A\left(v_1\right)d{\mathrm{\υ}}_1\∫\∫\sin c\[(a^{\′}/2d_0)({\mathrm{\υ}}_0-{\mathrm{\υ}}_1)\]$ $\×\left\{\frac{\sin \[m({\mathrm{\υ}}_0-{\mathrm{\υ}}_1)\]}{m\sin \[(1/2)({\mathrm{\υ}}_0-{\mathrm{\υ}}_1)\]}\right\}a\left(v_0\right)t\left(v_0\right)a\left(v_0\right)\sin c\[(a^{\′}/2d_0)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]$ $\×\left\{\frac{\sin \[m({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]}{m\sin ({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)}\right\}\sin \[(1/2)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]\exp \left(j2k\widetilde{z_S}\right)d{\mathrm{\υ}}_{0}d{z}_0---\left(10\right)$ 其中

已由

取代，a’和d₀分别是移相器14、24、24a、34和34a中各单元的宽度和中心距，sincx≡(sinx/x)。由于在级别1的鉴别中w_I对离焦像背景的减小没有关系，所以已除去了对w_I的依赖关系。

反射参考光束的振幅的相应表达式为 $U_R\left(v_3\right)=\left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{a^{\′}}{d_0}\right){\left(T_1{R}_1\right)}^{1/2}\∫A\left(v_1\right)d{\mathrm{\υ}}_1\∫\sin c(a^{\′}/2d_0)({\mathrm{\υ}}_0-{\mathrm{\υ}}_1)\]$ $\×\left\{\frac{\sin \[m({\mathrm{\υ}}_0-{\mathrm{\υ}}_1)\]}{m\sin \[(1/2)({\mathrm{\υ}}_0-{\mathrm{\υ}}_1)\]}\right\}\sin c\[(a^{\′}/2d_0)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]$ $\×\left\{\frac{\sin \[m({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]}{m\sin ({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)}\right\}\sin \[(1/2)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]\exp \left(j2k\widetilde{z_R}\right)d{\mathrm{\υ}}_0---\left(11\right)$ 其中

已被

取代。

让我们考虑a’＝d₀的特殊情况。这时等式(10)和(11)将分别简化为 $U_R\left(v_3\right)=\left(\frac{1}{2}\right){\left(R_1{T}_1\right)}^{1/2}\∫A\left(v_1\right)d{\mathrm{\υ}}_1\∫\∫2\sin c\[m({\mathrm{\υ}}_0-{\mathrm{\υ}}_1)\]$ $\×a\left(v_0\right)t\left(v_0\right)a\left(v_0\right)\sin c\[(1/2)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]\left\{\frac{\sin \[m({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]}{m\sin ({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)}\right\}--\left(12\right)$ $\×\sin \[(1/2)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]\exp \left(j2k\widetilde{z_s}\right)d{\mathrm{\υ}}_{0}d{z}_0$ $U_R\left(v_3\right)=\left(\frac{1}{2}\right){\left(T_1{R}_1\right)}^{1/2}\∫A\left(v_1\right)d{\mathrm{\υ}}_1\∫2\sin c\[m({\mathrm{\υ}}_0-{\mathrm{\υ}}_1)\]$ $\×\sin c\[(1/2)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]\left\{\frac{\sin \[m({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]}{m\sin ({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)}\right\}$ $\×\sin \[(1/2)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_0)\]\exp \left(j2k\widetilde{z_R}\right)d{\mathrm{\υ}}_0--\left(13\right)$ 公式(13)中对ν₀的积分可被执行具有结果 $U_R\left(v_3\right)=\left(\frac{1}{2}\right){\left(T_1{R}_1\right)}^{1/2}\∫A\left(v_1\right)(l/m)\sin c\[(1/2)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_1)\]$ $\×\left\{\frac{\sin \[m({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_1)\]}{m\sin ({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_1)}\right\}\sin \[(1/2)({\mathrm{\υ}}_3-{\mathrm{\υ}}_1)\]\exp \left(j2k\widetilde{z_R}\right)d{\mathrm{\υ}}_1--\left(14\right)$

图8示出当y₃＝0，z₃＝0，v₁＝0时一个双单元移相器系统(m＝1)的U_R(V₃)与(x₃kd₀/f)的函数关系曲线的例子。

等式(14)中通过因子sin[(1/2)(υ₃-υ₁)].清楚地表明了U_R(V₃)对于V₁的反对称空间分布。由于等式(12)与等式(13)有相同的数学结构，所以U_s(V₃)的空间分布一般也有类似的性质。在有选择地减小离焦像背景的振幅时，正是利用了这个反对称的空间分布。

                  离焦像的振幅

探测器在焦像平面47中的离焦光束振幅U_B可以用菲涅尔积分C(z)和S(z)表示，它们的定义是： $C\left(z\right)={\∫}_0^z\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{t}^2\right)\mathrm{dt}----\left(15\right)$ $S\left(z\right)={\∫}_0^z\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{t}^2\right)\mathrm{dt}----\left(16\right)$

请参见Abramowitz(阿勃拉莫维奇)和Stegun(史梯更)，《Handbook of Mathematical Functions(数学函数手册)》，(Nat.Burof Standards(国家标准局))，(Appl Math(应用数学)Ser 55)，Sect.7.3，300-302，1994。对于位于V₁＝(0，0，0)的点光源8，U_B的表达方式为： $U_B\left(v_3\right)=-\left(\frac{j}{k}\right)\left(\frac{A_B}{f^2}\right)\left(\frac{{\mathrm{\πf}}^2}{{\mathrm{kz}}_B}\right)\exp \[\mathrm{jk}\left(\widetilde{z_B}\right)\exp \[\mathrm{jk}({x_B}^2+{y_B}^2)/\left(2z_B\right)\]$ $\×{\∫\∫P}_3({\mathrm{\ξ}}_3,{\mathrm{\η}}_3)\exp \[-j\frac{\mathrm{\π}}{2}({{\mathrm{\ξ}}_3}^2+{{\mathrm{\η}}_3}^2)\]d{\mathrm{\ξ}}_{3}d{\mathrm{\η}}_3---\left(17\right)$ 对于级别2鉴别，当对ζ₃和η₃求出积分后得到： $U_B\left(v_3\right)=-\left(\frac{j}{k}\right)\left(\frac{A_B}{f^2}\right)\left(\frac{\mathrm{\π}{f}^2}{{\mathrm{kz}}_B}\right)\exp \[\mathrm{jk}\left(\widetilde{z_B}\right)\exp \[\mathrm{jk}({x_B}^2+{y_B}^2)/\left({2z}_B\right)\]$ ×{[C(ξ₅′)-2C(ξ₄′)+2C(ξ₃′)-2C(ξ₂′)+C(ξ₁′)]-j[S(ξ₅′)-2S(ξ₄′)+2S(ξ₃′)-2S(ξ₂′)+S(ξ₁′)]}×{[C(η₅′)-2C(η₄′)+2C(η₃′)-2C(η₂′)+C(η₁′)]-j[S(η₅′)-2S(η₄′)+2S(η₃′)-2S(η₂′)+S(η₁′)]}  (18)其中， ${\mathrm{\ξ}}_P^{\′}={\left(\frac{{\mathrm{kz}}_B}{{\mathrm{\πf}}^2}\right)}^{1/2}\[(p-3)a+\frac{x_B}{z_B}f\];p=1,\…,5----\left(19\right)$ ${\mathrm{\η}}_p^{\′}={\left(\frac{{\mathrm{kz}}_B}{{\mathrm{\πf}}^2}\right)}^{1/2}\[(p-3)a+\frac{y_B}{z_B}f\];p=1,\…,5---\left(20\right)$ f是透镜3出射光瞳处光束波前的曲率半径，(x_B，y_B，z_B)是在焦像平面47中的离焦坐标，(A_B/f)是透镜3出射光瞳处离焦光束的振幅。工作在例如U₃方向上的级别1鉴别的结果为： $U_B\left(v_3\right)=-\left(\frac{j}{k}\right)\left(\frac{A_B}{f^2}\right)\left(\frac{{\mathrm{\πf}}^2}{{\mathrm{kz}}_B}\right)\exp \[\mathrm{jk}\left(\widetilde{z_B}\right)\exp \[\mathrm{jk}({x_B}^2+{y_B}^2)/\left({2z}_B\right)\]$ ×{[C(ξ₅′)-2C(ξ₄′)+2C(ξ₃′)-2C(ξ₂′)+C(ξ₁′)]-j[S(ξ₅′)-2S(ξ₄′)+2S(ξ₃′)-2S(ξ₂′)+S(ξ₁′)]}        (21)

图9示出对于级别1鉴别各光束B52D-1、-2、-3、-4、的|U_B(V₃)|与(x₃d₀/λf)的函数关系曲线的例子，其中假定y₃＝0和z₃＝50λ(f/d₀)²。

利用菲涅耳积分的性质(请参见上述Abramowitz和Stegun的文章)可以证明分别对于以往技术共焦干涉显微术情况和本发明公开情况，(U_RU_B ^*+U_R ^*U_B)在探测器针孔范围内的积分具有下列性质：其中U^*代表U的复共轭，积分范围的中心对于级别1鉴别位于U_R在x₃方向的反对称中心，对于级别2鉴别位于U_R在x₃和y₃两个方向的对称中心。

根据本发明实施的设备的性质中的一个十分重要的特点是，对于离焦像光源中的每一个独立的体积元都能实现经增强的干涉项减小。因此，干涉项的这种减小将同时导致由离焦像背景所造成的统计误差和系统误差的经增强减小。

                 统计误差

考虑本发明设备对一任意三维散射物体112的一个平面横截面的响应。对于散射物体112的一个给定横向平面截面，探测器一个像素的输出电流I为： $I(z_{O,S}-z_{O,R},x)={\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3+{\∫\∫}_p{\left|U_B\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3+{\∫\∫}_p{\left|U_S\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3$ $+\cos x{\∫\∫}_p(U_R{U_S}^{*}+{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3+j\sin x{\∫\∫}_p(U_R{U_S}^{*}-{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3$ $+\cos x{\∫\∫}_p(U_R{U_B}^{*}+{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3+j\sin x{\∫\∫}_p(U_R{U_B}^{*}-{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3--\left(23\right)$ $+{\∫\∫}_p(U_S{U_B}^{*}+{U_S}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3$

其中 是在该像素面积内的积分，x是移相器44所导入的相移量。强度差I₁-I₂和I₃-I₄的相应等式为： $I_1-I_2=2{\∫\∫}_p(U_R{U_B}^{*}+{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3$ $+2{\∫\∫}_p(U_R{U_S}^{*}+{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3,---\left(24a\right)$ $I_3-I_4=j2{\∫\∫}_p(U_R{U_B}^{*}-{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3$ $+j2{\∫\∫}_p(U_R{U_S}^{*}-{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3---\left(24b\right)$ 其中Ip由下式定义：I_p≡I(x＝x_p)，x₁＝0，x₂＝π，x₃＝π/2，x₄＝3π/2(25)

和

误差可分别表示为： $\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[{\∫\∫}_p(U_R{U_S}^{*}+{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\]}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\frac{{\∫\∫}_p{\left|U_B\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}$ $+\frac{1}{2}\frac{{\∫\∫}_p{\left|U_S\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[{\∫\∫}_p(U_R{R_B}^{*}+{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\]}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}---\left(26a\right)$ $+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[{\∫\∫}_p(U_S{U_B}^{*}+{U_S}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}$ $\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[j{\∫\∫}_p(U_R{U_S}^{*}-{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\]}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\frac{{\∫\∫}_p{\left|U_B\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}$ $+\frac{1}{2}\frac{{\∫\∫}_p{\left|U_S\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[j{\∫\∫}_p(U_R{U_B}^{*}-{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\]}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}---\left(26b\right)$ $+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[{\∫\∫}_p(U_S{U_B}^{*}+{U_S}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\]}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}$ 在推导等式(26a)和(26b)

也就是已假定系统中的统计噪声是由所探测到的光电子数的泊松统计规律决定的。并且

和

都对应着大量的光电子。对于

和

的情况，等式(26a)(26b)右侧中与U_S有关的那些项可忽略不计，于是简化为以下等式： $\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[{\∫\∫}_p(U_R{U_S}^{*}+{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\]}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\frac{{\∫\∫}_p{\left|U_B\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}$ $+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[{\∫\∫}_p(U_R{U_B}^{*}+{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}---\left(27a\right)$ $\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[j{\∫\∫}_p(U_R{U_S}^{*}-{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\]}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\frac{{\∫\∫}_p{\left|U_B\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}$ $+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\σ}}^2\[j{\∫\∫}_p(U_R{U_B}^{*}-{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\]}{{\∫\∫}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}---\left(27b\right)$ 值得指出的是，在从 改变到

时所得到的关于

和

的信噪比的额外增益是一个约等于(3/2)的因子。然而，这一增益的代价是光源功率和所需信号电子处理电路的动态范围的巨大增加。因此，|U_R|的最佳选择典型地应是满足述条件：当满足关系式(28)所示的条件时，等式(27a)和(27b)所给出的统计误差将受下列不等式的限制： $\frac{1}{2}<\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2\&lsqb;{\&Integral;\&Integral;}_p(U_R{U_S}^{*}+{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\&rsqb;}{{\&Integral;\&Integral;}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}\&le;\frac{9}{8}---\left(29a\right)$ $\frac{1}{2}<\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2\&lsqb;{\&Integral;\&Integral;}_p(U_R{U_S}^{*}-{U_R}^{*}{U}_S){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3\&rsqb;}{{\&Integral;\&Integral;}_p{\left|U_R\right|}^2{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3}\&le;\frac{9}{8}---\left(29b\right)$

审视等式(26a)和(26b)或(27a)和(27b)可清楚明显地看到，实施了本发明的设备由于其减小了的离焦像背景而在给定的工作值U_S和U_R下本征地具有低于以往技术共焦干涉显微系统的统计误差。典型地，使用实施本发明的设备所得到的信噪比将比使用未采用本发明的共焦干涉显微镜的大一个因子(3/2)^1/2。

对等式(26a)和(26b)、(27a)和(27b)，以及(29a)和(29b)的解释是：利用这里所公开的本发明有可能从一组4个强度测量得到复数散射振幅的两个分量，使得对于物体中的每个独立的位置，较小的复数散射振幅的每个分量的统计误差都典型地在由复数散射振幅自身的统计性质所确定的有限统计误差的一个因子(3/2)^1/2范围内，并且与往技术共焦干涉显微镜相比，能够以较低的光源工作功率大小和较低的信号处理电路动态范围要求来达到给定的统计误差。“独立的位置”这个词用来表示各个由4个测量强度组成的组是一些统计独立的组。

有可能在图1a-1j和图2a-2d所示的第一和第二实施例中通过减小移相器24的透射率以同时衰减像平面47处的散射探测光束和离焦像光束，来满足关系式(28)所给出的条件。为了得到给定的信噪比，这个衰减处理有可能需要随着移相器24衰减程度的增大而增大光源10的强度。对于图3a-3j和4a-4d所示的本发明第三和第四实施例，可以通过调节分束器100、100a和100b的相对透射/反射性质来满足关系式(28)给出的条件。一般而言，当用第三或第四实施例来满足关系式(28)给出的条件时，与上述基于减小移相器24透射率的衰减处理相比，光源10或10a可以工作于较低的功率。

适用于第五和第六实施例的关于U_S、U_B、U_R的等式可以通过给第一和第二实施例的各相应量的等式的右端分别乘上表1所列的相应因子而得到。表1中列出的Ri和Ti分别代表反射和透射系数，其中i＝1，2，3分别代表分束管100、100a和100b。

表1

振幅	乘子
		US，UB	(T2)1/2
UR	(R2R3T3/R1)1/2

        由离焦像造成的系统误差

只要测得|U_R|，结合测量值I₁-I₂和I₃-I₄，等式(24a)和(24b)可以用来对相幅矢量US的实部和虚部进行测量。这可以利用熟悉本技术领域的人们所知的附加光学装置来实现。其中剩余有可能系统误差项： ${\&Integral;\&Integral;}_p(U_R{U_B}^{*}+{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3---\left(30a\right)$ ${\&Integral;\&Integral;}_p(U_R{U_B}^{*}-{U_R}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3---\left(30b\right)$ 当|U_R|＞＞|U_S|时，这些系统误差项可能是明显的。因此，希望能把由式(30a)和(30b)所表示的干涉项补偿到一个可接受的水平。通常，在此公开的本发明中，为补偿

和

项所需的计算机处理量要比以往技术共焦干涉显微术所需的少得多。这是因为U_B的实间性质取决于待测三维物体112的散射性质，从而通过一个积分方程而取决于U_S。这些积分方程，即等式(24a)和(24b)，是第二类弗莱德霍姆(Fredholm)积分方程。当例如在实施了本发明的设备中减小了

和

项时，力求得U_S而需执行的对各个积分方程求逆的计算机处理将减少。一般，所需计算机处理的减少速度快于

和

项的减小速度。

对于那些实施本发明的设备不同的，没有补偿互相干项 ${\&Integral;\&Integral;}_p(U_S{U_B}^{*}+{U_S}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3$ 干涉测量系统，对应于等式(24a)和(24b)的积分方程是非线性积分方程：它们是U_S的二次积分方程。一般而言为求解非线性积分方程所需的计算机硬件和软件要比求解线性积分方程的复杂得多。因此，实施本发明的设备把操作对象从 ${\&Integral;\&Integral;}_p(U_S{U_B}^{*}+{U_S}^{*}{U}_B){\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dy}}_3$ 项转变成 和

项这一事实代表了本发明相对于以往技术针孔共焦显微术的一个重要特征。

还应指出，与以往技术针孔共焦显微术不同，在实施本发明的设备中起因于背景信号

的系统误差的减小是彻底的。

                     宽带工作

本发明的重要特征征一是，当光源10是一个宽带光源时仍可实现对离焦像背景效应的经增强的减小。从例如等式(14)所揭示的系统性质可以明显看出，只要相应(ν₃-ν₁)满足条件(其中[σ(q)]²代表宗量q的方差)： $\mathrm{\&sigma;}({\mathrm{\&upsi;}}_3-{\mathrm{\&upsi;}}_1)\&le;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2m}----\left(31\right)$ 则对于在焦像仍可保持对由等式(12)所给出的U_S(V₃)的高灵敏度。

当(ν₃-ν₁)的值给定时，对信号的贡献在(x₃-x₁)/f与k之间有双曲线的关系：(ν₃-ν₁)是正比于k(x₃-x₁)/f的。因此，有可能通过对k加以限制而使得允许的k值与(x₃-x₁)/f值满足关系式(31)，同时使获取像数据的探测器将产生改进的信噪比(在焦信号强度与离焦信号强度之比)。从关系式(31)可得到下列关系式： ${\left({\mathrm{kd}}_0\right)}^2\{\mathrm{\&sigma;}\&lsqb;(x_3-x_1)/f\&rsqb;{\}}^2+{\left({\mathrm{kd}}_0\right)}^2\&lsqb;(x_3-x_1)/f{\&rsqb;}^2{\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_k}{k}\right)}^2$ $\&le;{\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2m}\right)}^2---\left(32\right)$ 选择这样一种工作模式，在该模式中关系式(32)左侧的两个项有相同的贡献，这时有：和

结合关系式(34)与下列等式将可得到一个关于(σ_k/k)的关系式：(υ₃-υ₁)＝[kd₀(x₃-x₀)/f]＝rπ；r＝1，3…  (35)其中rπ代表(ν₃-ν₁)值的一个子组，在这些值下因子 $\left\{\frac{\sin \&lsqb;m({\mathrm{\&upsi;}}_3-{\mathrm{\&upsi;}}_1)\&rsqb;}{m\sin ({\mathrm{\&upsi;}}_3-{\mathrm{\&upsi;}}_1)}\right\}----\left(36\right)$ 将达到峰值。得到的关于(σ_k/k)的关系式为：

从关系式(37)可明显看出，实施了本发明的设备工作于比较宽的λ波带时仍是有效的。例如，当m＝1和r＝1时，(σk/k)≤0.35；当m＝2和r＝1时(σk/k)≤0.18。

可实际采用的r值范围有一个限制。这一限制来自对信噪比的考虑。在式(36)所给出的对观察信号有贡献的因子中，每个峰值都对应着一个改进的信号强度。然而，随着所包含的峰的数目增多，也即r的最大值r_max增大，根据关系式(37)k的带宽必需减小。

当在本发明的第二、第四或第六实施例中采用级别2的鉴别时，各针孔之间的间距也有一限制。这个限制也可以用类似于宽带工作段落中的分析来求得。从例如等式(14)所揭示的系统性质，可明显看出，只要有

(其中δv₁是相应针孔光源线阵中相邻两针孔之间的间距)，就可保持对在焦像的Us(v₃)的高灵敏度。

注意到关系式(33)和(34)所示限制条件的右侧不显含x₁或y₁，可以看出实施了本发明的设备对于点类光源是有效的，而对x₁或y₁的取值范围没有本征性的限制。

通过混浊媒质观察

这里所公开的本发明的另一个重要特征是，当通过混浊媒质观察时对离焦像背景效应的增强减小仍是有效的。通过混浊媒质观察时的脉冲响应函数h_A.M为：

h_A.M＝h_A*h_M    (39)

其中h_A是设备在通过非混浊媒质观察时的脉冲响应函数，h_M是混浊媒质的脉冲响应函数，*代表h_A与h_M的卷积。h_A*h_M的傅里叶变换为： ${\tilde{h}}_{A.M}=\widetilde{h_A}\widetilde{h_M}----\left(40\right)$ 其中 是h的傅里叶变换。脉冲响应函数h_M可以由一个高斯分布很好地代表： $h_M(v_i-v_m)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}\exp \&lsqb;-\frac{{({\mathrm{\&upsi;}}_i-{\mathrm{\&upsi;}}_m)}^2+{(w_i-w_m)}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}^2}---\left(41\right)$ 其中σ²是h_M的方差。

h_M的傅里叶变换由下式给出： $\widetilde{h_M}=\exp (-\frac{{q\&CenterDot;\mathrm{q\&sigma;}}^2}{2})---\left(42\right)$ 其中q是与v相共轭的角空间频率矢量。h_A的最低频率峰值位于频率q＝2π(d₀/λ)    (43)处。从等式(40)和(42)可以明显看出，当

或

时，h_A.M可次在q＝(d₀/λ)处保持比较大的值。利用式(43)和(45)可得到，可以使用的d₀值受下述条件限制：

于是，有可能把实施本发明的层析成像系统设计得能在低于由h_M决定的截止频率的空间频率范围同保持比较高的灵敏度。

根据本发明可以认识到，对于具有任意空间性质的参考光束振幅，背景光(即离焦返回的探测光束)的振幅与参考光束振幅之间的干涉项可以对不希望的系统误差的产生起决定性作用，并且对不希望的统计误差和产生的是重要的。在本发明的上述各实施例中，由于通过移相而在参考光束中产生了反对称的空间性质，背景光与参考光束振幅之间的干涉项被减小。由于这一干涉项被减小，它将不会在由单像素探测器所产生的数据中产生不可接受的大的系统误差和统计误差。

还可以认识到，参考光束的振幅是与参考光束与在焦返回探测光束(“即”希望信号)之间的干涉项相关的。参考光束是以参考光束振幅的平方的形式被探测的。在焦返回探测光束是从返回参考光束与在焦返回探测光束之间的相干项，也即在焦返回探测光束振幅与参考光束振幅的乘积的形式被探测的。探测到的参考光束与探测到的返回探测光束是相关的，因为这两者中都出现有参考光束振幅。这种相关性使得从这样的干涉项来确定物体材料性质将在统计上更为精确。结果，可以从单像素探测器在响应于参考光束与在焦返回探测光束之间的干涉项时所产生的数据获得在焦物体材料的精确特性。这是因为统计精度是受到单像素探测器在响应于在焦探测光束振幅的平方时所产生的光电子数目的限制的，而不是受到单像素探测器在响应于参考光束或离焦返回探测光束的振幅平方时所产生的光电子数目的限制的。

熟悉本技术领域的人们还可看到，在本发明所公开的各实施例中的任一个实施例中也可以采用另外的和/或附加的光学元件和探测器。例如，也可以采用偏振分束器或再结合附加的移相元件来改变用来探测物体材料的辐射的性质。另一个例子可以是增加一探测器来监视光源强度。可以在不偏离本发明精神的和范畴的情况下作出这些或其他明显的修改。

还应该看到，例如可以在图1a-1j中删去移相器34，这时，产生于在焦像平面37中像点38处的点光源8的像将不同于前面所述的像，虽然由反射参考光束于在焦像平面47中的像点48处所产生的点光源8的像基本上与前面所述的像相同。然而，上述离焦像的抵消仍能实现。类似地，可以在图2a-2b中删去移相器34，在图3a-3j和图删去移相器34和34a。

还应该看到，只要能使反射参考光束在单像素探测器平面上的振幅的空间分布基本上是反对称的，移相器14、24、24a、34、34a的各个移相器单元的空间构形可以与前述的不同和/或带有除旁瓣功能。不过，为了得到物体材料112的希望层析像，由单像素探测器产生的像数据必需以略为不同于前述本发明各实施例中的方法进行处理。

还应该看到，前述各实施例中的干涉仪可以是偏振型的，其目的例如是用偏振光去探测物体材料112或者是为了增大通过干涉仪到单个或多个探测器上的光的信息通量。不过，为了使反射参考光束和散射探测光束能在单个或多个探测器上混合，需要在前述设备中增加例如偏振分束器这样的附加光学元件。

Claims (39)

1、一种把在焦像从离焦像区分出来以减小在焦像测量中的统计误差的方法，它包括以下步骤：

(a)从一个点光源产生一个探测光束和一个参考光束；

(b)产生参考光束的反对称空间性质；

(c)通过把探测光束变成一个在焦像点，产生一个在焦返回探测光束；

(d)产生在焦返回探测光束的反对称空间性质；

(e)使参考光束与一个来自离焦像点的光束发生干涉；

(f)使参考光束与在焦返回探测光束发生干涉；

(g)用一个单像素探测器探测：

i.参考光束，探测量为参考光束振幅的平方；

ii.在焦返回探测光束，探测量为返回参考光束与该在焦返回探测光束之间的一个干涉项，

其中离焦像光束的振幅与返回参考光束的振幅之间的干涉项的幅度被明显地减小，由此减小了单象素探测器所产生数据中的统计误差。

2、根据权利要求1的方法，其中来自离焦像点的光束是一个离焦返回探测光束。

3、根据权利要求1的方法，其中，步骤(a)包括分别从多个点产生多个探测光束和多个参考光束，其中多个点组成了一个线光源；并且步骤(d)包括分别用多个相应的单像素探测器探测各个参考光束和各个相应的在焦返回探测光束。

4、一种把在焦像从离焦像区分出来的方法，它包括以下步骤：

(a)移动由一个点光源所产生的一个光束的多个部分的相位，以产生一个反对称的相移第一光束；

(b)把相移第一光束分解成一个参考光束和一个反对称探测光束；

(c)移动反对称探测光束的多个部分的相位，以产生一个对称相移探测光束；

(d)把对称相移探测光束成像为一个在焦点，在焦点处的物体材料反射和/或散射和/或透射该对称相移光束，产生一个在焦对称返回探测光束；

(e)移动在焦对称返回探测光束的多个部分的相位，以产生一个相移在焦反对称返回探测光束；

(f)把参考光束成像到一个位于一个在焦像平面中的参考反射镜上，并使之反射以产生一个返回参考光束；

(g)使返回参考光束与相移在焦返回探测光束发生干涉，以产生一个代表在焦点处的物体材料的干涉光束，并使该干涉光束成像在一个单探测器像素上的一个在焦像点上；

(h)对称相移探测光束的一部分被一个离焦像平面处的物体材料反射和/或散射和/或透射，产生一个离焦非反对称返回探测光束；以及

(i)移动离焦非反对称返回探测光束的多个部分的相位，以产生一个相移离焦非反对称返回探测光束，并使相移离焦非反对称返回探测光束与返回参考光束发生干涉，以造成离焦非反对称返回探测光束的大部分在单探测器像素处被抵消，由此基本消除来自物体材料的离焦光的影响。

5、根据权利要求4的方法，包括利用同一个移相器来实现步骤(e)和(i)中所述的移相。

6、根据权利要求4的方法，包括利用不同的移相器来实现步骤(e)和(i)中所述的移相。

7、根据权利要求4的方法，它还包括以下步骤：

(a)移动参考光束的多个部分的相位，以产生一个对称参考光束；

(b)把对称参考光束成像在位于一个在焦像平面处的参考反射镜上，并使之反射以产生一个对称返回参考光束；以及

(c)移动对称返回参考光束的多个部分的相位，以产生一个相移反对称返回参考光束。

8、根据权利要求7的方法，它还包括测量由单探测器像素所产生的一个第一输出信号，该第一输出信号代表一个第一强度。

9、根据权利要求8的方法，它包括：

(1)把每个参考光束和返回参考光束的多个部分的相位在由一个移相器所产生的初始相移量的基础上移动总共π弧度，然后测量由单探测器像素所产生的一个第二输出信号，该第二输出信号代表一个第二强度，再把第一强度减去第二强度，以产生在焦对称返回探测光束的振幅的一个第一分量的测量值，其中离焦非反对称返回探测光束的光的影响已基本被抵消；

(2)把每个参考光束和返回参考光束的多个部分的相位在初始相移量的基础上移动总共π/2弧度，然后测量由单探测器像素所产生的一个第三输出信号，该第三输出信号代表一个第三强度；

(3)把每个参考光束和对称返回参考光束的多个部分的相位在初始相移量的基础上移动总共3π/2弧度，然后测量由单探测器像素所产生的一个第四输出信号，该第四输出信号代表一个第四强度，再把第三强度减去第四强度，以产生在焦对称返回探测光束的振幅的一个第二分量的测量值，其中离焦非反对称返回探测光束的光的影响已基本被抵消，

在焦返回探测光束的振幅的第一和第二分量一起代表了在焦对称返回探测光束的复振幅。

10、根据权利要求9的方法，包括用一个计算机来执行步骤(1)至(3)。

11、根据权利要求4的方法，包括机械地移动物体材料以使得能在把物体材料中的另一部分置于在焦点处时执行步骤(a)至(i)。

12、根据权利要求9的方法，包括机械地移动物体材料以使得能在把物体材料中的另一个部分置于在焦点处时执行步骤(a)至(i)。

13、根据权利要求4的方法，包括从组成一个线光源的多个点光源产生光束，还包括分别对每个点光源和相应的单探测器像素执行步骤(a)至(i)。

14、一种用于把在焦像从离焦像区分开来的系统，它包括以下各项的结合。

(a)一个能产生一个光束的点光源；

(b)一个设置在该光束光路中的第一移相器，它能移动该光束的多个部分的相位，以产生一个反对称的相移第一光束；

(c)一个设置在相移第一光束光路中的第一分束器，它能把相移第一光束分解成一个参考光束和一个反对称探测光束；

(d)一个设置在反对称探测光束光路中的第二移相器，它能移动反对称探测光束的多个部分的相位，以产生一个对称相移探测光束；

(e)一个设置在对称相移探测光束光路中的第一光学成像器件，它能把对称相移探测光束成像成一个在焦点，该在焦点处的物体材料将反射和/或散射和/或透射对称相移光束，产生一个在焦对称返回探测光束；

(f)一个设置在在焦对称返回探测光束光路中的移相器，它能够移动在焦对称返回探测光束的多个部分的相位，以产生一个相移在焦反对称返回探测光束；

(g)一个设置在参考光束光路中的第二光学成像器件，它能把该反对称的参考光束成像到一个位于一个在焦像平面中的参考反射镜上，后者将反射该成像光束，产生一个返回参考光束；

(h)一个第三光学成像器件，它能使返回参考光束与相移在焦反对称返回探测光束发生干涉，以产生一个代表在焦点处的物体材料的干涉光束，并使该干涉光束成像在一个单探测器像素上的一个像点上；

(i)对称相移探测光束的一个部分被一个离焦像平面处的物体材料反射和/或散射和/或透射，产生一个离焦返回探测光束；以及

(j)第二移相器能移动离焦返回探测光束的多个部分的相位，产生一个相移离焦非反对称返回探测光束，第三光学成像系统器件能使相移离焦非反对称返回探测光束与在焦返回参考光束发生干涉，造成离焦非反对称返回探测光束的大部分在单探测器像素处被抵消，由此基本消除来自物体材料的离焦光的影响。

15、根据权利要求14的系统，其中设置在在焦对称返回探测光束光路中的移相器是第二移相器。

16、根据权利要求14的系统，其中设置在在对焦对称返回探测光束光路中的移相器是除第二移相器以外的一移相器。

17、根据权利要求14的系统，它包括：

(a)一个设置在参考光束光路中的第三移相器，它能移动参考光束的多个部分的相位，以产生一个对称参考光束；

(b)一个第二光学成像器件，它能把对称参考光束成像到位于一个在焦像平面处的参考反射镜上，后者将使之反射，产生一个对称返回参考光束；以及

(c)第三移相器，它能移动对称返回参考光束的多个部分的相位，以产生一个相移反对称返回参考光束。

18、根据权利要求17的系统，包括有一个能测量由单探测器像素所产生的一个第一输出信号的计算装置，其中改第一信号代表一个第一强度。

19、根据权利要求18的系统，包括有一个设置在参考光束和返回参考光束的光路中的移相器件，用来

(1)把每个参考光束和返回参考光束的多个部分的相位在初始相移量的基础上移动总共π弧度，然后测量由单探测器像素所产生的一个第二输出信号，该第二输出信号代表一个第二强度，

(2)把每个参考光束和返回参考光束的多个部分的相位在初始相移量的基础上移动总共π/2弧度，以及

(3)把每个参考光束和对称的返回参考光束的多个部分的相位在初始相移量的基础上移动总共3π/2弧度。

20、根据权利要求19的系统，包括有一个计算装置，用来

(1)把第一强度减去第二强度，以产生在焦对称返回探测光束的振幅的一个第一分量的测量值，其中离焦非反对称返回探测光束的光的影响被基本抵消，

(2)测量由单探测器像素所产生的一个第三输出信号，该第三输出信号代表一个第三强度，以及

(3)测量由单探测器像素所产生的一个第四输出信号，该第四输出信号代表一个第四强度，然后把第三强度减去第四强度，产生在焦对称返回探测光束的振幅的一个第二分量的测量值，其中离焦非反对称返回探测光束的光的影响被基本抵消，

在焦返回探测光束的振幅的第一和第二分量一起代表了在焦对称返回探测光束的复振幅。

21、根据权利要求14的系统，包括有一个能把物体材料移动到使物体材料的另一个部分位于在焦点的位置处的机械移动器。

22、根据权利要求20的系统，包括有一个与计算装置相耦合并能把物体材料移动到使物体材料的另一个部分位于在焦点的位置处的机械移动器。

23、根据权利要求14的系统，其中该光束来自组成了一个线光源的多个点光源中的一个点光源，该系统包括有分别对应于每个点光源的多个单探测器像素。

24、一种把在焦像从离焦像区分开来的方法，它包括以下步骤：

(a)把一个第一光束分解成一个参考光束和一个探测光束；

(b)把探测光束成像成一个在焦点，该在焦点处的物体材料将透射该光束，产生一个在焦透射探测光束；

(c)移动在焦透射探测光束的多个部分的相位，以产生一个相移在焦反对称透射探测光束；

(d)把参考光束成像到一个在焦像点上，并使之透射以产生一个返回参考光束；

(e)移动参考光束的多个部分的相位，以产生一个相移反对称参考光束；

(f)使相移反对称返回参考光束与相移在焦反对称探测光束发生干涉，以产生一个代表在在焦点处的物体材料的干涉光束，并使该干涉光束成像在一个单探测器像素上的一个像点上。

(g)探测光束的一部分被一个离焦像点处的物体材料透射，产生一个离焦透射探测光束；以及

(h)移动离焦透射探测光束的多个部分的相位，以产生一个相移离焦非反对称透射探测光束，并使相移离焦非反对称透射探测光束与在焦反对称参考光束发生干涉，造成离焦非反对称透射探测光束的大部分在单探测器像素处被抵消，由此基本消除来自物体材料的离焦光的影响。

25、一种用来把在焦像从离焦像区分开来的系统，它包括以下各项的的结合。

(a)一个能产生一个第一光束的点光源；

(b)一个设置在第一光束光路中的第一分束器，它能把第一光束分解成一个参考光束和一个探测光束；

(c)一个第一光学成像器件，它能把探测光束成像成一个在焦点，其中在焦点处的物体材料透射该光束并产生一个在焦透射探测光束；

(d)一个设置在在该焦透射探测光束光路中的第一移相器，它能够移动在焦透射探测光束的多个部分的相位，以产生一个相移在焦反对称透射探测光束；

(e)一个第二光学成像器件，它能把参考光束成像到一个在焦像点上，并使之透射以产生一个返回参考光束；

(f)一个设置在参考光束光路中的第二移相器，它能移动参考光束的多个部分的相位，以产生一个相移反对称参考光束；

(g)一个第三光学成像器件，它能使相移反对称返回参考光束与相移在焦反对称探测光束发生干涉，以产生一个代表在焦点处的物体材料的干涉光束，然后使该干涉光束成像到单探测器像素上的一个像点上。

(h)探测光束的一部分被一个离焦像点处的物体材料透射，产生一个离焦透射探测光束；以及

(i)第二移相器能移动离焦透射探测光束的多个部分的相位，产生一个相移离焦非反对称透射探测光束，第三光学成像器件能使相移离焦非反对称透射探测光束与在焦反对称参考光束发生干涉，造成离焦非反对称透射探测光束的大部分在单探测器像素处被抵消，由此基本消除来自物体材料的离焦光的影响。

26、一种把在焦像从离焦像区分开来的方法，它包括以下步骤：

(a)移动由一个点光源所产生的一个光束的多个部分的相位，以产生一个反对称相移第一光束，使得当把该反对称相移第一光束引导到一个平面中的一个焦点上时，其在该平面中的振幅分布将对于一个像的中心至少沿着该平面中的一个轴是反对称的；

(b)把相移第一光束分解成一个反对称参考光束和一个反对探测光束；

(c)移动反对称探测光束的多个部分的相位以产生一个对称相移探测光束，使得当把该对称相移探测光束引导到一个平面中的一个焦点上时，其在该平面中的振幅分布将相对于像的中心是对称的。

(d)把对称相移探测光束成像成一个在焦点，该在焦点处的物体材料将反射和/或散射对称相移光束，产生一个在焦名义上对称的返回探测光束；

(e)移动在焦名义上对称的返回探测光束的多个部分的相位，以产生一个相移在焦名义上反对称的返回探测光束；

(f)把对称参考光束成像到一个在焦像平面中的一个参考反射镜中，并使参考反射镜反射该光束以产生一个在焦反对称返回参考光束；

(g)使相移在焦反对称返回参考光束与相移在焦名义上反对称的返回探测光束发生干涉，以产生一个代表在焦点处的物体材料的干涉光束，然后把该干涉光束成像到一个单探测器像素上的一个在焦像点上；

(h)对称相移探测光束的一部分被一个离焦点处的物体材料反射和/或散射，产生一个离焦名义上对称的返回探测光束；以及

(I)移动离焦名义上对称的返回探测光束的多个部分的相位，以产生一个相移离焦非反对称返回探测光束，并使相移离焦非反对称返回探测光束与相移在焦反对称返回参考光束发生干涉，造成离焦非反对称返回探测光束的大部分在单探测器像素处被抵消，由此基本消除来自物体材料的离焦光的影响。

27、根据权利要求26的方法，包括测量由单探测器像素所产生的一个第一输出信号，该第一信号代表一个第一强度。

28、根据权利要求27的方法，包括：

(1)把每个反对称参考光束和相移在焦反对称返回参考光束的多个部分的相位在由一个移相器所产生的初始相移量的基础上移动总共π弧度，然后测量由单探测器像素所产生的一个第二输出信号，该第二输出信号代表一个第二强度，再把第一强度减去第二强度，产生在焦对称返回探测光束的振幅的一个第一分量的测量值，其中离焦非反对称返回探测光束的光的影响已被基本抵消；

(2)把每个反对称参考光束和相移在焦反对称返回参考光束的多个部分的相位在初始相移量的基础上移动总共π/2弧度，然后测量由单探测器像素所产生的一个第三输出信号，该第三输出信号代表一个第三强度；

(3)把每个反对称参考光束和相移在焦反对称返回参考光束的多个部分的相位在初始相移量的基础上移动总共3π/2弧度，然后测量由单探测器像素所产生的一个第四输出信号，该第四输出信号代表一个第四强度，再把第三强度减去第四强度，产生在焦对称返回探测光束的振幅的一个第二分量的测量值，其中相移离焦非反对称返回探测光束的光的影响被基本抵消。

在焦返回探测光束的振幅的第一和第二分量一起代表了在焦对称返回探测光束的复振幅。

29、根据权利要求28的方法，包括用一个计算机执行步骤(1)至(3)。

30、根据权利要求26的方法，包括机械地移动物体材料以使得能在把物体材料中的另一个部分置于在焦点处时执行步骤(a)至(i)。

31、根据权利要求28的方法，包括机械地移动物体材料以使得能在把物体材料中的另一个部分置于在焦点处时执行步骤(a)至(i)。

32、根据权利要求26的方法，它包括从组成了一个线光源的多个点光源产生光束，该方法包括分别对每个点光源和相应的单探测器像素执行步骤(a)至(i)。

33、一种用于把在焦像从离焦像区分开来的系统，它包括以下各项的结合：

(a)一个能产生一个光束的点光源；

(b)一个设置在该光束光路中的第一移相器，它能移动该光束的多个部分的相位，以产生一个反对称相移第一光束，使得当该反对称相移光束被导引到一个平面中的一个焦点处时，其在该平面中的振幅分布将对于一个像的中心至少沿着平面中的一个轴是反对称的；

(c)一个设置在相移第一光束光路中的第一分束器，它能把相移第一光束分解成一个反对称参考光束和一个反对称探测光束；

(d)一个设置在反对称探测光束光路中的第二移相器，它能移动反对称探测光束的多个部分的相位，产生一个对称相移探测光束，使得当该对称相移光束被导引到一个平面中的一个焦点处时，其在该平面中的振幅分布将对于像的中心是对称的。

(e)一个设置在对称相移探测光束光路中的第一光学成像器件，它能把对称相移探测光束成像成一个在焦点，该在焦点处的物体材料将反射和/或散射和/或透射该对称相移光束，产生一个在焦名义上对称的返回探测光束；

(f)一个设置在在焦名义上对称的返回探测光束光路中的移相器，它能移动在焦名义上对称的返回探测光束的多个部分的相位，产生一个相移在焦名义上反对称的返回探测光束；

(g)一个设置在反对称参考光束光路中的第三移相器，它能移动反对称参考光束的多个部分的相位，产生一个对称参考光束；

(h)一个设置在对称参考光束光路中的第二光学成像器件，它能把对称参考光束成像到一个在焦像平面中的一个参考反射镜上，并使之发生反射，产生一个在焦对称返回参考光束；

(i)第三移相器能移动在焦对称返回参考光束的多个部分的相位，产生一个相移在焦反对称返回参考光束；

(j)一个第三光学成像器件，它能使相移在焦反对称返回参考光束与相移在焦名义上反对称的返回探测光束发生干涉，产生一个代表在焦点处的物体材料的干涉光束，并使干涉光束成像到一个单探测器像素上的一个像点上；

(k)对称相移探测光束的一部分被在一个离焦点处的物体材料反射和/或散射，产生一个离焦名义上对称的返回探测光束；以及

(l)第二移相器能移动离焦名义上对称的返回探测光束的多个部分的相位，产生一个相移离焦非反对称返回探测光束，第三光学成像系统器件能使相移离焦非反对称返回探测光束与相移在焦反对称返回参考光束发生干涉，造成离焦非反对称返回探测光束的大部分在单探测器像素处被抵消，由此基本上消除来自物体材料的离焦光的影响。

34、根据权利要求33的系统，包括一个计算装置，该装置能测量由单探测器像素所产生的一个第一输出信号，该第一信号代表一个第一强度。

35、根据权利要求34的系统，包括有一个设置在参考光束和返回参考光束的光路中的移相器件，用来

(1)把每个反对称参考光束和相移在焦反对称返回参考光束的多个部分的相位在一个初始相移量的基础上移动总共π弧度，然后测量由单探测器像素所产生的一个第二输出信号，该第二输出信号代表一个第二强度。

(2)把每个反对称参考光束和相移在焦反对称返回参考光束的多个部分的相位在初始相移量的基础上移动总共π/2弧度，以及

(3)把各个反对称参考光束和相移在焦反对称返回参考光束的多个部分的相位在初始相移量的基础上移动总共3π/2弧度。

36、根据权利要求35的系统，包括有一个计算装置，用来

(1)把第一强度减去第二强度，以产生在焦名义上对称的返回探测光束的振幅的一个第一分量的测量值，其中离焦非反对称返回探测光束的光的影响被基本抵消，

(2)测量由单探测器像素所产生的一个第三输出信号，该第三输出信号代表一个第三强度，以及

(3)测量由单探测器像素所产生的一个第四输出信号，该第四输出信号代表一个第四强度，把第三强度减去第四强度，产生在焦名义上对称的返回探测光束的振幅的一个第二分量的测量值，其中相移离焦非反对称返回探测光束的光的影响已被基本抵消，

在焦返回探测光束的振幅的第一和第二分量一起代表在焦名义上对称的返回探测光束的复振幅。

37、根据权利要求33的系统，包括有一个机械移动器，该移动器能移动物体材料以把物体材料的另一个部分放置到在焦点处。

38、根据权利要求36的系统，包括有一个与计算装置相耦合并能移动物体材料以把物体材料的另一部分放置到在焦点处的机械移动器。

39、根据权利要求33的系统，其中该光束来自组成了一个线光源的多个点光源中的一个点光源，该系统含有分别对应于每个点光源的多个单探测器像素。

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