專利名稱：球面光散射和遠場相位測量的制作方法
技術領域：
本發明涉及散射測量技術。具體地，其涉及通過使用半球面和/或球面光散射以及相位測量技術來同時測量反射或透射的散射波陣面的遠場測量。
背景技術：
散射儀用于通過測量特定的材料或表面如何在球面(“散射”)輻射中反射或透射光來分析光源和材料特性。如果表面不輻射自己的光，例如LED的情況，則能夠以某個角度將例如激光的光源引導到表面上，以從入射點產生散射光。如果表面是鏡面的，或者相反，表面以單向方式輻射入射光，則所有的光都將沿著單一的光束從表面被引導離開。否則，反射光會被散射并輻射遍及測試表面之上的半球。散射光的科學與數學得到了很好地發展。例如，見J.C.Stover的書“光散射測量與分析”，McGraw-Hill，NY(1990)。
典型的散射儀包括激光器，其在測試表面上發出光束；以及單個檢測器，其圍繞照亮的點機械地掃描180度的圓弧。檢測器的視場保持在照亮的點上而不管視角如何。在每個視角處，進行光強度的測量，從而生成散射光的空間分布。掃描弧上的分布取決于測試表面的特性，包括材料的類型、表面粗糙度、反射率、顏色、表面結構、表面下損傷以及其他。
掃描單個的檢測器極大地限制了測量掃描例如整個半球的大區域的能力，以及測量強度的大動態范圍的能力。此外，掃描整個半球占用很多時間。這樣一來，用單個的檢測器測量測試表面上的許多點上的散射就變得十分不切實際。用這種方法在多個測量位置測量動態事件同樣是不可能的。
為了克服這些限制，使用了在更大的半球區域上分布的具有單個檢測元件的多個檢測器。例如，沿著弧放置了有限數量的檢測器(10到120個檢測器)，其中，所述弧中心為測量點。當散射場(或如在這里規定的遠場圖形)均勻時，這種方法執行順利，但是當遠場圖形是隨機的或者具有高頻成份時，這種方法就無法工作了。
另一種現有技術方法是，通過半透明的球頂中的孔將激光束照射到位于圓頂中心的測試樣品上。來自測試樣品的散射光照亮了內部圓頂表面，因為所述圓頂是半透明的，所以這允許使用攝像機從圓頂的外部表面來觀察散射光。這個方法對于一些基本的應用工作得令人滿意。然而，光同樣能夠在圓頂的內部和外部表面之間橫向地散射，導致產生惡化的測量結果。這種方法同樣無法慮及在從垂直于攝像機的表面的方向接近90度的角(亦即半球面圓頂的邊緣)處散射的光的簡單測量。
在美國專利No.5,313,542、No.5,475,617、No.5,615,294、No.5,640,246和No.5,729,640中描述了用于半球面散射光測量的另一種方法。這種方法基于使用光纖束以在三維空間中測量半球的一部分。通過將球面表面分割到光纖束的逐漸變細的部分上來實現這一點。光纖束的相對末端逐漸變細到十分小的尺寸，以連接到攝像機。這種方法允許在部分半球上的非常高的分辨率測量。然而，它的主要缺點是較低的動態范圍、光纖束的費用、光通過光纖傳播時的相位信息的損失以及為了完全半球面測量的機械掃描需要。
由此，所有的這些現有技術方法具有共同的遠場覆蓋度和角度測量分辨率的限制。另外，它們不能測量相位。因此，能夠用單個的裝置實時測量球面散射和相位的系統將是本領域非常希望的，并且將提供空前的醫學診斷能力。本發明提供了現有技術設備的許多問題的解決辦法，并且能夠以以前不可能的速度獲取顯著更多的測量數據。此外，能夠同時獲取來自散射光的球面與相位信息。

發明內容
本發明使用獨特的透鏡設計，以將從樣品光源發出的光映射到適合于測量強度和相位的一組測量模塊上。結果，本發明使得可以在半球或全球上高分辨率地測量從位于球中心的光源收集的散射或輻射光。所得到的測量結果產生了圖像，其類似于通過人眼從360度的有利位置觀察光源在三維空間中看到的那樣，所有的都是高分辨率而且是同時的。另外，還能夠同時測量相位，從而提供了能夠方便地使用的數據，以揭示單獨使用強度測量結果所無法得到的重要的材料特性。
根據本發明的一個方面，優選實施例包括遠場測量裝置，其具有多個成像透鏡，所述成像透鏡被切割成五角形的形狀并在網格球面結構中布置。五角形的形狀允許透鏡在網格圓頂圖形中配合，在所述網格圓頂圖形中，所有透鏡都具有基本上聚焦到將要被測量的光源上的共同的視場。這種透鏡配置允許收集從點光源徑向地輻射的所有光，從而提供超過現有技術的重要的優點，現有技術使用了會在測量區域上產生死區的圓形收集光學器件。其他非圓形的透鏡也是可以的，但是已確定，五角形的形狀給出了圖像質量、透鏡數目、圓頂尺寸以及遠場測量覆蓋度的最優平衡。所有的透鏡都具有共同的視場，其中，如果在基本為半球面或球面的結構中布置透鏡，則所述視場為相應網格圓頂的中心。
為了減少創建球面結構所需的透鏡數目，每個透鏡都必須非常大，這導致嚴重的波陣面象差象差。這樣一來，根據本發明的另一個方面，每個五角形的成像透鏡由設計用來減少波陣面象差的多元件光學器件組成。例如，這樣的光學器件可以由典型的變焦透鏡組成，其中，第一子元件是非球面的五角形透鏡。如在本領域中很好理解的那樣，非球面設計允許散射光的大入射角，同時使校正象差所需的子透鏡的數目最小化。模擬非球面設計的菲涅耳透鏡能夠代替非球面透鏡使用。菲涅耳透鏡產生較低質量的圖像，但是它們實質上更薄、更輕。因此，取決于實際應用的需要，或者非球面的或者菲涅耳透鏡能夠用于實施本發明。在五角形透鏡后面，附加的子透鏡用于校準和使波陣面平直，為將波陣面映射到測量模塊內部的攝像機中做準備。在優選實施例中，每個模塊都包括非球面五角形透鏡、準直透鏡、視場致平器透鏡和模塊成像透鏡。單元件五角形透鏡能夠用于較少需求的應用。
在每個多元件透鏡后面使用例如攝像機的測量模塊。根據本發明的特的實施例，測量模塊包括Shack-Hartman波陣面傳感器，從而能夠測量所檢測的波陣面的強度和相位。在另一個實施例中，測量模塊為干涉儀，其需要進入的波陣面關于外部的參考波陣面有相移。這個實施例的優選版本在每個測量模塊中包括點衍射干涉儀。點衍射干涉儀從遠場波陣面中創建其自己的參考光束，這樣就能夠測量強度和相位。同樣能夠使用其他類型的干涉儀，包括錯位干涉儀。
每個測量模塊都以傳統的方式和計算機有接口，所述計算機處理信息并且優選地還顯示結果。為了獲取同時發生的數據，通過電子同步每個測量模塊來俘獲動態事件。由于信息量大，可以用視頻或DVD記錄器實時記錄數據，以便稍后分析。同樣希望神經網絡會扮演處理從本發明的測量模塊中獲取的原始數據的主角。所得到的數據能夠用于表征許多材料和物質，包括光滑的和粗糙表面、半導體、空中傳播的粒子、生物材料、氣體、液體以及分子結構。
從隨后的說明書中的描述以及附加的權利要求中具體指出的新穎特征中，本發明的其他不同的目的和優點將變得清楚。然而，這樣的附圖和描述僅僅披露了一些可以實施本發明的不同方式。


圖1A是內部覆蓋有根據本發明的測量模塊的基本為半球面圓頂的示意性截面側視圖；圖1B是圖1A的圓頂的示意性頂視圖；圖2A是顯示測量模塊上映射的遠場光的放大的示意圖；圖2B是Shack-Hartman波陣面傳感器上映射的遠場光的放大的示意圖；圖3A是根據本發明的五角形透鏡的側視圖；圖3B是圖3A的五角形透鏡的正視圖；圖4A是由如圖3B中顯示的那樣的六個五角形透鏡組成的基本為半球面圓頂的透視圖；圖4B是圖4A的結構的頂視圖；圖5是具有多元件透鏡和攝像機的測量模塊的示意圖；圖6A是圖1A的圓頂的視圖，其顯示了根據本發明的射入圓頂以進行映射的光的散射，以及包括使用干涉儀來測量相位的裝置。
圖6B顯示了圖6A的干涉測量裝置的操作；圖6C是設計用來提供共線測試和以不同的速率會聚的參考光束的壓電干涉測量裝置的示意圖；圖6D是設計用來提供共線測試和以不同的速率會聚的參考光束的偏振干涉測量裝置的示意圖；圖7A是適合于實施本發明的點衍射干涉儀的示意圖，其中，晶體延遲器用于相移；圖7B是具有同時相移的另一種點衍射干涉儀的示意圖；圖7C顯示了用于從測試波陣面中生成參考波陣面的點衍射干涉儀元件；圖8A是包括本發明的多個測量模塊的半球面結構的透視圖；
圖8B是圖8A的結構的底視圖，其顯示了本發明的五角形透鏡的半球面網格構造；圖9A示意性地顯示了用于將測量模塊中的攝像機連接到圖像處理器和計算機的構造；圖9B示意性地顯示了用于將測量模塊中的攝像機連接到錄像機的構造。
具體實施例方式
本發明在于非球面透鏡系統和鄰近的構造中布置的光檢測器的相應系統的結合，以便同時俘獲并測量從樣品上的點光源散射的所有的光。此外，借助于適當的檢測器，能夠類似地測量散射光的相位分布。
如在這里使用的那樣，術語“遠場圖形”和“散射光”可交換地用于表示從點光源以輻射模式輻射的光。術語“球面的”和“半球面的”用于指示這樣的幾何形狀和具有球面幾何形狀的部分(亦即球面上圖形的幾何形狀)。“赤道平面”被規定為和具有這樣的球面幾何形狀的結構的赤道共面的平面。最后，術語“網格”用于指示具有相互連接的平面表面的多面體結構，所述平面表面還優選地但是不是必須地被配置，以便每個表面的側邊規定例如半球面的給定表面的點之間的最短路線。
參考附圖，圖1A和1B顯示了分別在截面圖和頂視圖中顯示的基本為半球面構造10中的本發明。測量模塊12和相應的透鏡14連接到半球面支撐結構16，以便提供半球面表面的幾乎完全覆蓋。盡管優選五角形透鏡和相應的測量模塊來實施本發明，如上所述，但是為了顯示起見，在這些附圖中使用小方形元件。事實上，可以清楚地理解，結構16的球面曲率會要求每個模塊12和透鏡14離開真正的方形幾何形狀，以便無間隙地覆蓋結構16。圖1A的這種設計需要很大數量的透鏡14，這會產生高分辨率的測量結果，但卻以高昂的成本為代價，因為需要相應很大數量的模塊12。
例如由激光源(未顯示)產生的光束L，能夠以希望的角度α通過半球面結構16中的孔18向測試樣品S投射。角度α能夠關于樣品表面的法線在0度和90度之間。同樣能夠從本發明的半球面內部的小光源生成光束L。如果樣品表面S是部分鏡面的，則部分光L被反射離開表面并通過半球面結構16中的第二孔20向外導出。為了確保反射光束通過孔20并向外投射，提供手動或電動平臺22(在圖1B中示意性地顯示)以適當地改變角度α。這種特征對于那些測量很重要，其中，在所述測量中，不希望光束L從透鏡14反射離開返回朝向樣品表面S。可選擇地，沿著位于光束L的反射平面中的線24切入到半球面結構16中的狹長縫隙，能夠用于允許光束L以任意希望的角度進入并且仍然確保其從結構中離開。如果樣品表面S是非鏡面的，則孔20和平臺是可選擇的，因為所有的光L都在半球面結構內部被散射。在這樣的情況下，可以取代孔20使用另外的測量模塊。
在任一情況下，光束L以朝向透鏡14的系統的徑向方式散射離開樣品表面S，如圖1A中的箭頭26所顯示的那樣。根據本發明，所有的這些散射光被同時收集，以使用透鏡14的系統進行數據分析。如圖2A和2B所示，從樣品表面輻射的遠場圖形的部分28通過每個透鏡14。透鏡14的目的是要校準并使球面遠場圖形28平直。然后將所得到的處理的遠場圖形或波陣面30引導到測量模塊12中，所述測量模塊12能夠是用于測量強度的攝像機，或者是用于測量強度和相位的干涉儀。圖12B以用于測量強度和相位的Shack-Hartman波陣面傳感器的形式顯示了模塊12。
透鏡14可以是單或多元件透鏡。如本領域技術人員容易地認識到的那樣，引導到測量模塊12的波陣面32的質量將取決于透鏡14。如果透鏡小，則其能夠作為單元件透鏡實現，以得到高質量的波陣面，但是需要許多測量模塊，這會是昂貴的和不切實際的。如果透鏡14大，則需要更少的測量模塊，但是因為在透鏡14的邊緣散射光的大入射角β而難以得到高的波陣面質量。同樣，事實上所有的傳統透鏡都是圓形的。因此，如果在棋盤圖形中并排地放置傳統的圓形透鏡，則許多錯過的間隙剩下，這導致丟失信息。因此，優選地使用這樣的透鏡設計來實現本發明，所述透鏡設計被選擇用來達到透鏡14的數目、透鏡形狀的復雜性和波陣面32的質量之間的明智的平衡。
圖3A和3B分別在側視圖和正視圖中顯示了根據本發明的五角形透鏡40。通過圍繞透鏡制造5個精確切口44，將圓形透鏡42切割成五角形的形狀。在五角形中，邊之間的角度γ(圖3B)為108度。在優選實施例中，每個切口44關于五角形表面46的角度δ(圖3A)被調整為大約58.3度，以慮及容易制造和多個透鏡一起的配合。使用6個五角形透鏡40，就能夠構造網格圓頂50，如圖4A和4B所示。取決于包括透鏡40的五角形表面46的圓54的直徑52，能夠生成不同尺寸的球頂。在優選實施例中，透鏡40具有78.94mm的直徑52以及40.43mm的五角形邊56。這些尺寸產生了直徑大約264.8mm的圓頂50(圖4B)。
盡管透鏡40能夠是各種類型的，但是本發明的優選實施例使用了非球面設計。這允許透鏡40非常大并且仍然測量以大角度β(見圖2A)入射的散射光。如在本領域中很好理解的那樣，透鏡40的表面58和五角形表面46的確切形狀是非球面透鏡的設計中的關鍵因素，因為這兩個表面的質量支配著透鏡的全部性能和最后的遠場測量的質量。
典型的非球面透鏡設計由下式支配曲率＝c＝1/R，以及SAG＝Z＝(c×r2)/(1+(1-(1+k)c2r2)1/2)+a2r2+a4r4+a6r6+a8r8+…+anrn其中，c為曲率，R為半徑，Z為弧矢高度，an為常數，而rn為徑向值。取決于可接受的波陣面質量，非球面表面46和58能夠是不同的形狀。在優選實施例中，表面46是平坦的，并且用于非球面表面58的等式參數如下R＝35.1657k＝-0.9532a2＝0a4＝1.2065E-6a6＝1.7981E-10a8＝4.86192E-14a10＝-2.9165E-18使用這些等式參數，非球面透鏡40的高度60為33mm。
非球面透鏡的另一個優點在于，其使得顯著減少多元件透鏡設計中所需的子元件的數目。例如，如圖5所示，多元件透鏡62能夠利用子元件透鏡以減少非球面透鏡40引入到遠場圖形中的象差。這很重要，因為其使得可以最小化最后的遠場測量結果中的誤差。存在能夠執行這個任務的各種透鏡子元件。在本發明的優選實施例中，使用了3個附加的透鏡。如圖5所示，使用了準直儀64、視場致平器66和成像透鏡68。成像透鏡68自己同樣可以是多元件透鏡。這樣一來，遠場圖形28會進入透鏡40，并在到達測量模塊70之前通過透鏡64、66和68傳播。模塊70能夠是用于強度測量的攝像機、用于相位和強度測量的干涉儀或用于相位和強度測量的Shack-Hartman波陣面傳感器。測量半球面上的遠場圖形的相位和強度兩者的能力，表明了散射測量技術領域中的重要進步。
這樣一來，除了測量強度之外(由圖2A中的波陣面30表示)，同樣能夠執行本發明以測量波陣面的相位(由圖2A中的波陣面32表示)。這可以通過使用干涉儀來實現，如圖2A的模塊12所示，或者可以通過使用Shack-Hartman傳感器74來實現，如圖2B所示。如該圖所示，Shack-Hartman傳感器使用微透鏡陣列76將校準的光30聚焦到攝像機78上。透鏡14是可選擇的，并且用于將遠場圖形28校準到微透鏡陣列76上。通常，各個微透鏡映像N×N個攝像機象素。這樣一來，攝像機象素的這個網格中的聚焦的點80的確切的象素位置就能夠用于確定相位。為了實現本發明，優選每微透鏡15×15攝像機象素。注意Shack-Hartman傳感器的使用能夠從圖1A中顯示的反射光束L’和散射光26兩者中雙重獲取相位和強度信息。
如圖6A和6B所示，使用建立以影響進入本發明的半球面圓頂的輸入光的干涉測量技術同樣能夠測量相位。相對寬的會聚參考光束R和相對窄的測試光束T一起被分別投射到拋光的參考表面M和較小的上置的測試樣品S上。為了本披露的目的，認為表面M和S基本上是同延的。這樣一來，兩個光束R、T在區域82中就產生了干涉圖形，其中，在所述區域82中，它們在從測試和參考表面反射之后重疊，并且干涉測量傳感器84可以映射并測量圖形。通過關于測試光束T短暫相移參考光束R，提供了如傳統的相位分析所需的一系列干涉圖。例如，圖6C和6D顯示了適合于產生并相移參考和測試光束的兩種方法，所述參考和測試光束用于照亮圖1A的散射儀中的樣品表面。
圖6C的相移裝置使用了傳統的壓電元件86。通過非偏振光束分離器88將會聚的激光束L(在圖中未顯示光源)分離成測試光束T和參考光束R。測試光束T由通過分離器的原始光束L組成，并且被引導向測試樣品S(見圖6B)。通過反射光束L離開分離器表面90而朝向凸面鏡92來產生參考光束R，所述凸面鏡92將光反射回來，通過光束分離器并到達有效地連接到壓電元件86的鏡面94上。凸面鏡92用于減少激光束L的會聚率，以便所得到的參考光束R在測試樣品S處大于測試光束T(如圖6B所示)。光R被鏡面94反射，和穿過光束分離器88的測試光束T重組，然后通過向連接到鏡面94的壓電元件86施加電壓被相移。鏡面92的凸曲率提供了參考光束R在參考表面M上照耀所需的減少的會聚，如圖6B所示。這種獨特的設計允許光滑的參考表面M在測試光束T和參考光束R兩者的相同光路中被放置到測試樣品S的下面。使參考光束R更大，以確保其從參考鏡面M的反射。
通過使參考和測試光束正交偏振，同樣能夠以固態模式進行相移，如圖6D所示。偏振光束分離器96用于將進入的光束L分離成線性正交偏振的測試光束T和參考光束R。四分之一波片98用于當光束分別朝向鏡面100和102傳播時沿著每個光束的路徑將線性偏振光轉換成圓形偏振光。當反射的光束從這些鏡面返回傳播通過它們各自的波片時，它們被轉換回線性偏振光，所述線性偏振光關于它們最初的線性偏振旋轉90度，以便分離器96可以將這兩個光束適當地引向樣品目標。然后參考表面M和測試表面S反射重組的光束，如圖6B所示。然后在干涉測量傳感器84中使用偏振相移干涉儀，以用傳統的方式將兩個光束轉換成用于分析的三個或更多的相移干涉圖。
使用具有圖6A的散射儀的任一干涉測量方法，有意識地將反射的光束T’、R’傳播到圓頂的外面到達干涉測量傳感器84，以便最小化會導致測量誤差的從傳感器返回到表面M的散射光的影響。圍繞圓頂的模塊12是攝像機而模塊84是干涉儀的事實限制了圖6A的方法。這樣一來，就不能在整個遠場圖形上進行相位測量。此外，將測試表面S和參考表面M放置在同樣的位置對于許多應用是不切實際的。機械壓電裝置的使用由于振動、環境變化和測試樣品隨時間的變化同樣引入了限制。類似地，圖6D的干涉測量方法假定，不會由于表面S和M的散射性質而隨意改變光束R和T的偏振狀態。對多種表面和材料是不能進行這種假定的。另外，如果樣品目標S是自發光的光源，則這兩種干涉測量方法都不能工作。最后，盡管圖2B的Shack-Hartman方法具有較少的這些限制，但是其遭受比干涉測量方法更低的角度測量分辨率。
由于這些限制，優選點衍射干涉測量方法，如圖7A和7B中示意性地顯示的那樣。點衍射干涉儀從測試波陣面T生成它自己的參考波陣面R，如圖7C所示。測試波陣面T通過具有針孔112的四分之一波片110。通過波片110的波陣面T的部分T’具有旋轉90度的偏振。通過針孔112的波陣面T的部分被轉換成球面波陣面R，同時保持其原始的偏振狀態。這樣一來，兩個改變的波陣面T’和R就創建了干涉圖形，其中，能夠處理所述干涉圖形以恢復光束T的原始測試遠場相位圖形。
能夠使用兩種類型的點衍射干涉儀。圖7A中顯示的干涉儀120使用晶體延遲器122和線性偏振器124來關于測試波陣面T’相移參考波陣面R。所得到的相移干涉圖像被映射到攝像機126上。圖7B的干涉儀130使用基于偏振的同步相移模塊132來來執行同樣的功能。在兩個干涉儀120和130中，透鏡134、136、138、和140用于正確地將波陣面映射到測量模塊126和132。
圖8A和8B顯示了具有6個測量端口152的根據本發明構造的圓頂結構150。在優選實施例中，每個端口具有(圖5中顯示的類型62的)多元件透鏡和(圖7B中顯示的類型130的)干涉測量模塊。為了簡化顯示，只顯示了具有完整的透鏡62和測量模塊130的一個端口152。在圖8B中顯示的圓頂150的底視圖中可見六個五角形非球面透鏡40。注意能夠組合圓頂150的兩個鏡面復制品以創建用于在三維空間中的全360度范圍上測量遠場圖形的完整球面。當測試樣品S是能透射的，或者當其在全球面上輻射光時，優選本發明的這個實施例。否則，只需一個圓頂150來實施散射測量技術，如本發明教導的那樣。
測量全球面的強度和相位信息的優點包括測量來自半透明材料的完整的三維輻射光的能力，所述半透明材料用于諸如DNA分析、生物物質、聚合體、塑料等等之類的應用。進而，能夠實時進行所有的測量以監視動態事件。
不考慮具體的透鏡設計，能夠使用不同的方法將測量模塊安裝到球面結構中。例如，參考圖2A的模塊，球面結構中的孔可以用于在每個孔中安裝模塊12。可選擇地，玻璃半球面或球面結構能夠用作模具，用于放置并聯結透鏡14和傳感器模塊12。在放置透鏡之后，可以去除也可以不去除模具。透鏡能夠具有各種形狀。然而，當透鏡14在這個設計中是單元件透鏡時，簡單的解決辦法是具有雙凸透鏡，使得后面的曲率匹配球面，而前面的曲率設計用來校準從球面中心輻射的光。
另外，當透鏡14由單元件透鏡組成時，優選的方法是在半球面或球面的形狀中使用單個整體的微透鏡陣列。這樣的結構可以是適合于透鏡陣列的玻璃、塑料或其他材料。在所有的情況下都可以在透鏡表面上使用抗反射涂層。在所有的情況下測量系統都可以用于測量強度和/或相位。
由此，已顯示本發明提供一種適合于在整個球面上測量散射光的遠場圖形的裝置。另外，該裝置能夠以散射場的可接受的畸變在半球面和球面構造中無任何間隙(盲點)地高分辨率地測量這樣的散射光。最后，可以在整個球面上測量遠場圖形中的光的強度和相位。
如圖9A中示意性地顯示的那樣，來自檢測器模塊12或78(見圖2A和2B)內部的攝像機的測量數據，被轉換成電信號160，并被發送到傳統計算機164中的處理器162，用于干涉測量分析。可選擇地，如圖9B所示，能夠將電信號160發送到視頻或DVD記錄器166。可以同步模塊12和78內部的攝像機，以同時觀察同樣的事件。這種特征表明了當測量動態事件時的重要優點，并且是操作的優選方式。多個攝像機的另一個優點是這樣的事實每個攝像機能夠具有其自己單獨的自動快門和曝光設置。這允許同時獲取(反射的光束附近的)高強度光和光散射最小的地方的低能級光。
同樣重要地，從圖1A能夠看出，能夠控制產生光束L的光源的功率，以形成要被測量的散射光的明暗區的廣闊范圍。可以降低光源的功率，以允許本發明的模塊觀察散射光的明區，然后，能夠增加功率，以允許模塊測量散射光的較暗區。另一個重要的優點是商業CCD和CMOS攝像機正變得更小并且更便宜。因此，低成本CMOS攝像機的使用允許適合于測量整個球面圖形的相對便宜的測量模塊的構造。另外，可以使用具有內建的象素處理器的CMOS攝像機，所述象素處理器允許單獨的象素當它們變得飽和時被清除。這允許鄰近的象素保持不受潛在的高光溢出(blooming)問題的影響。
單個的圖像獲取裝置162(圖9A)同樣是可用的，其能夠從多個檢測器模塊同時獲取視頻信號。如在圖8B中能夠看到的那樣，存在許多的測量模塊信號要處理；因此，盡可能迅速地處理它們是有利的。這能夠通過以下方式進行對每個測量模塊都具有單個的處理器，或者，將每個處理模塊裝進多路復用器用于連續處理。在本發明的優選實施例中，六個測量模塊用于半球面覆蓋，而12個用于球面覆蓋。因此，優選并行的獲取能力。
可以預料，借助于彩色攝像機和白光源，以及借助于彩色攝像機和多重激光，可以從本發明獲得用于多光譜散射光成像的進一步的改進和優點。在Shack-Hartman方式中，非相干光源能夠用于測量光散射強度和相位。
本領域技術人員會理解，本發明的前述示范實施例為同樣被認為在本發明的范圍之內的眾多替換物和修改提供了基礎。例如，檢測器模塊12和透鏡14能夠用包括光檢測器的單個的半球面或球面表面替換。半球面或球面表面能夠由柔性材料組成，并在材料上嵌入或印刷柔性攝像機電路。慮及在散射場的某些區域只測量強度而在同樣散射場的其他部分測量強度和相位兩者，能夠在同樣的半球面或球面結構中使用僅測量相位模塊和僅測量強度模塊的聯合。
由此，盡管本發明在這里已顯示并描述了被認為是最實用的和優選的實施例，但是可以認識到，本領域技術人員由此出發能夠進行更改。因此，本發明不是限于披露的細節，而是根據權利要求的全部范圍包含任何以及全部等價的設備和方法。
權利要求
1.一種用于測量從樣品表面上的點光源傳播的光的裝置，該裝置包括平臺，用于保持樣品表面；多個多象素傳感器，用于測量從樣品表面上的所述點光源徑向傳播的部分光的強度值；以及光學系統，用于使所述部分光的預定部分對準所述多個多象素傳感器中的一個，以便所述多個多象素傳感器中的所述一個中的相應的一組象素接收部分光的每個所述部分。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述光學系統包括非球面透鏡。
3.如權利要求1所述的裝置，其中，在球面幾何形狀的支撐結構上分布所述多個多象素傳感器，并且在支撐結構的赤道平面上放置所述樣品表面。
4.如權利要求1所述的裝置，其進一步包括測試光源，所述測試光源用于以預定的入射角用測試光束照射樣品表面，以產生從樣品表面上的所述點光源傳播的所述光。
5.如權利要求4所述的裝置，其進一步包括參考光源，用于照亮參考表面，以及干涉儀，用于測量由從所述點光源傳播的光和所述參考光源產生的參考光束之間的干涉導致的多個干涉圖。
6.如權利要求5所述的裝置，其中，所述參考表面和所述樣品表面的一部分基本上是同延的。
7.如權利要求6所述的裝置，其中，所述測試光束是會聚的，并且所述干涉儀是相移干涉儀，用于通過從凸面鏡反射測試光束的一部分而從測試光束產生所述參考光束，并朝著樣品表面共線地引導所述參考和所述測試光束。
8.如權利要求6所述的裝置，其中，所述干涉儀包括用于產生共線地朝著樣品表面的正交偏振的參考和測試光束的裝置和偏振相移干涉儀。
9.如權利要求1所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器包括用于測量從樣品表面上的點光源徑向傳播的所述部分光的相位值的多個相位傳感器。
10.如權利要求9所述的裝置，其中，所述相位傳感器是Shack-Hartman傳感器。
11.如權利要求5所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器包括用于測量從樣品表面上的點光源徑向傳播的所述部分光的相位值的多個相位傳感器。
12.如權利要求11所述的裝置，其中，所述相位傳感器是Shack-Hartman傳感器。
13.一種用于測量從樣品表面上的點光源徑向散射的光的裝置，該裝置包括限定了赤道平面的基本上半球面的結構；平臺，用于基本上在所述赤道平面上的位置保持樣品表面；測試光源，用于以預定的入射角照射樣品表面；以及多個多象素傳感器，用于測量朝著所述基本上半球面的結構的內部表面的離散部分的徑向散射的部分光的強度值。
14.如權利要求13所述的裝置，其中，所述測試光源通過所述基本上半球面的結構中的孔照射樣品表面。
15.如權利要求13所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器用于測量朝著基本上半球面的結構的基本上所有的所述內部表面散射的部分光的強度值。
16.如權利要求13所述的裝置，其進一步包括光學系統，所述光學系統用于使所述部分光的一部分對準所述多個多象素傳感器中的一個，以便所述多個多象素傳感器中的所述一個中的相應的一組象素接收所述部分光的所述部分。
17.如權利要求16所述的裝置，其中，所述光學系統包括非球面透鏡。
18.如權利要求13所述的裝置，其進一步包括參考光源，用于照亮參考表面，以及干涉儀，用于測量由從點光源散射的光和參考光源產生的參考光束之間的干涉導致的多個干涉圖。
19.如權利要求18所述的裝置，其中，所述參考表面和所述樣品表面的一部分基本上是同延的。
20.如權利要求13所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器包括用于測量從樣品表面上的點光源徑向散射的所述部分光的相位值的多個相位傳感器。
21.如權利要求20所述的裝置，其中，所述相位傳感器是Shack-Hartman傳感器。
22.如權利要求16所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器包括用于測量從樣品表面上的點光源徑向散射的所述部分光的相位值的多個相位傳感器。
23.如權利要求22所述的裝置，其中，所述相位傳感器是Shack-Hartman傳感器。
24.如權利要求13所述的裝置，其進一步包括放置在所述赤道平面的相對側的第二基本上半球面的結構；以及第二多個多象素傳感器，用于測量朝著所述第二基本上半球面的結構的內部表面的離散部分散射的透射的部分光的強度值。
25.如權利要求24所述的裝置，其中，所述第二多個多象素傳感器用于測量朝著第二基本上半球面的結構的基本上所有的所述內部表面方向散射的所述透射的部分光的強度值。
26.如權利要求25所述的裝置，其進一步包括光學系統，所述光學系統用于使所述透射的部分光的一部分對準所述第二多個多象素傳感器中的一個，以便所述第二多個多象素傳感器中的所述一個中的相應的一組象素接收透射的部分光的所述部分。
27.如權利要求13所述的裝置，其進一步包括光學系統，所述光學系統用于使所述部分光對準所述多個多象素傳感器，并且所述光學系統包括非球面透鏡。
28.如權利要求27所述的裝置，其中，所述多個多象素傳感器為六個，并且所述光學系統包括在所述基本上半球面的結構上的網格構造中連接的六個相應的五角形非球面透鏡。
29.如權利要求27所述的裝置，其中，在限定了和所述基本上半球面的結構鄰近的若干平面表面的多面體構造中布置所述多個多象素傳感器，并且所述光學系統包括相應的若干非球面透鏡。
全文摘要
遠場測量裝置(10，50，150)具有多個成像透鏡(14，40)，所述成像透鏡(14，40)被切割成五角形的形狀，并且在網格球面構造中布置，而且具有聚焦到將要被測量的散射光(26)的光源(S)上的共同的視場。非球面透鏡(40)便于校準大入射角的散射光。在每個透鏡(14)后面使用例如攝像機的測量模塊(12，78)。測量模塊可以由干涉儀或Shack－Hartman波陣面傳感器(74)組成，從而能夠既測量散射光(26)的強度又測量散射光(26)的相位。
文檔編號G01B9/02GK1871505SQ200480005304
公開日2006年11月29日 申請日期2004年2月26日 優先權日2003年2月26日
發明者雷蒙德·J·卡斯頓瓜伊 申請人:雷蒙德·J·卡斯頓瓜伊