CN101178476A - 一种高分辨显微三维成像装置 - Google Patents

Abstract

一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于以下步骤：首先确定入射光，再选择合适的半球棱镜，选取一块载玻片并在其表面蒸镀一层金属，放在半球棱镜的半球平面上，将物体置于金属层上面，让入射光在棱镜半球曲面上某点沿棱镜半径方向入射，入射光与载玻片平面之间夹角为θ，光束在载波片表面产生全反射，TM波通过全反射在金属表面产生表面等离子体波，TE波被反射，在半球棱镜外的反射光路上放置一个λ/4的波片和一个反射镜；将探测器置于物体上方进行探测并记录探测结果；通过改变入射面和夹角θ，在不同的位置对物体进行照明并记录探测的结果，将所有探测结果综合考虑，可获得被探测物体的完整三维信息；本方法能有效的利用照明光，装置灵活，成像分辨率高。

Description

一种高分辨显微三维成像装置

技术领域

本发明涉及一种显微成像装置，特别涉及一种高分辨显微三维成像装置。

背景技术

近年来，随着微纳加工技术和纳米材料的迅速发展，微纳金属结构的电磁学性质正受到越来越多的关注。光与表面微纳金属结构的相互作用产生了一系列新的奇异物理现象。例如，1998年法国科学家Ebbesen及其合作者发现通过亚波长金属孔列阵的光的异常增强现象(Extraordinary Optical Transmission)。H.J.Lezec等人的研究进一步表明：当光透过亚波长金属纳米孔时，其透过率不仅可以得到增强，而且光束的衍射角度非常小，传输方向不遵循通常电介质结构中的衍射规律。此外，与表面等离子体金属微纳结构有关的新现象还有：光与特殊分布的金属微结构作用后，出现沿左手规则传播的特性，说明材料具有负折射率；光通过特定金属纳米孔结构后，光波出射具有极好的方向性等等。微纳金属结构表面等离子体波的研究已经形成一个新的领域。基于微纳金属结构的新型表面等离子体技术器件可以被广泛应用于军事、医疗、国家安全等多个领域。

根据阿贝-瑞利判据，成像系统的分辨率受到入射光波长和数值孔径的限制，理论上分辨的距离可达1/2波长。目前，有几种方法可以实现远场超分辨成像：倏逝波照明物体成像(“Superresolution of three-dimensional optical imaging by use of evanescent waves”；PatrickC.Chaumet，Kamal Belkebir，and Anne Sentenac.J.Opt.Soc.Am.A 2005，22，1889-1897)，远场超透镜(“Far-Field Optical Superlens”；Zhaowei Liu et al.Nano Letters 2007，7，403-408)等。倏逝波照明成像技术利用倏逝波与物体之间的多重散射，在两个平面多个角度进行照明，在远场测量散射场信息，利用反演算法对物体的介电常数分布进行重构，从而得到物体的三维形貌特征，但这种方法得到的分辨率理论上还只能到1/4波长。远场超分辨成像技术在传统光学成像系统中加入一个器件，即所谓的超透镜器件，该器件能够将携带物体高频信息的倏逝波放大并转化成可在远场观测到的传播波，实现对物体在远场的高分辨成像，这种方法对三维物体成像是有可能的，但目前还未实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种可以进行高分辨三维成像的高效率的简单的成像装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于步骤如下：

(1)首先确定入射光，根据入射光的波长λ，选择合适材料的半球棱镜；

(2)选择合适的载玻片，并在其表面蒸镀一层金属；

(3)将镀有金属层的载玻片放置于半球棱镜的半球平面上，并将物体放置在载玻片的金属表面上；

(4)入射光在棱镜半球曲面上的某一点沿棱镜半径方向入射，入射光与载玻片平面之间的夹角为θ，光束在载波片表面产生全反射，TM波通过全反射在金属表面产生的表面等离子体波的波长为：

λ_sp＝λ₀×((ε_m+ε_d)/ε_m×ε_d)^1/2    (1)

其中ε_m为金属膜的介电常数，ε_d为金属膜上方覆盖被观测物体的介质的介电常数，λ₀是入射光在真空中的波长，由于金属的介电常数可以表示为复数形式：ε_m＝ε_m′+i×ε_m″，在一定波长范围内ε_m′＜0，|ε_m′|＞＞ε_m″，从而

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sp}}\≈{\mathrm{\λ}}_0{\×\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}+{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}\×{\mathrm{\ϵ}}_d}\right)}^{1/2}---\left(2\right)$

通过合理选择金属和介质材料，可以获得波长较短，强度增强的表面等离子体波；

(5)TE波被反射，在半球棱镜外的反射光束光路上放置一个λ/4的波片和一个反射镜；

(6)将探测器置于物体上方进行探测，记录探测结果；

(7)保持入射面不变，转动入射光线，改变入射光与载玻片平面之间的角度θ2～10次，分别对物体进行照明，每改变一次，都利用探测器对物体进行探测，并记录探测结果；

(8)将入射面进行旋转，使之垂直于原来入射面，重复步骤(7)，将所有探测结果综合考虑，可获得被探测物体的三维完整信息。

所述步骤(1)中的入射光为没有经过偏振处理的光，同时包含TM波和TE波。

所述步骤(1)中的半球棱镜结构材料根据入射光来选择，可以为可见光波段的石英，二氧化硅，玻璃。

所述步骤(1)中的半球棱镜的半径为10mm～100mm。

所述步骤(2)中的载波片材料必须与半球棱镜的材料相同。

所述步骤(2)中的载波片厚度为0.5mm～2mm。

所述步骤(2)中的金属为金或银。

所述步骤(2)中的金属层的厚度为10nm～100nm。

所述步骤(3)中的物体可以为亚波长大小任意形状的结构。

所述步骤(4)中的入射光跟载波片平面之间的角度θ以及步骤(7)中改变后的入射光跟载波片平面之间的角度θ都在40度到80度的范围内。

所述步骤(5)中的λ/4波片的材料根据入射光来决定，可以为可见光波段的石英，二氧化硅，玻璃。

所述步骤(6)中探测器的物镜跟物体之间的距离可以为3mm～10mm。

所述步骤(6)中的探测器为CCD探测器。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

(1)与直接将银层涂覆在半球棱镜的全反射面相比：本发明采用将金属层涂覆在载玻片上的方法，可以灵活的根据实验要求选择涂覆有不同金属厚度的载玻片进行实验即可，极大的节约了实验成本和加工周期。

(2)与倏逝波照明相比，表面等离子体波的波长要比相应的入射光产生的倏逝波要短，因此成像的分辨率进一步提高。

(3)本发明通过在光束的反射光路上施加λ/4的波片和一个反射镜，可以将被反射的TE光转换成TM光，使之参与照明，使得照明效率得到了极大的提高。

(4)本发明通过对入射光束的方向在三维空间内进行旋转，可以完整的获得物体的三维信息。

附图说明

图1是一种高分辨显微三维成像装置示意图；

图中1为物镜，2为散射光，3为物体，4为金属金，5为载玻片，6为半球棱镜，7为反射光线，8为λ/4波片，9为反射镜，10为入射光束，11为介质材料。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例，应包括权利要求书中的全部内容。

(1)选择入射光波长为λ＝632.8nm，该入射光没有经过偏振处理，其中包含有TM波和TE波；

(2)选择半球棱镜的材料为K9玻璃，半径为20mm；

(3)选择载玻片材料为K9玻璃，其厚度为1mm，在其表面采用真空蒸镀10nm的金；

(4)将镀有金属金的载玻片放置于半球棱镜的半球平面上，并将物体放置于载玻片上的金属表面，物体为线宽160nm，周期224nm的铬线条；

(5)将入射光在半球棱镜曲面上某一点沿棱镜半径方向入射，入射光与载玻片平面之间的角度为50度；入射光束在载波片表面产生全反射，TM波通过全反射在金属表面产生的表面等离子体波的波长为：

λ_sp＝λ₀×((ε_m+ε_d)/ε_m×ε_d)^1/2    (1)

其中ε_m为金属金的介电常数，ε_d为金属膜上方空气的介电常数1，由于金的介电常数可以表示为复数形式：ε_m＝ε_m′+i×ε_m″，其值为，ε_m＝-12.0459+0.7084i，在波长λ＝632.8nm的入射光的照射下，ε_m′＜0，|ε_m′|＞＞ε_m″，从而

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sp}}\≈{\mathrm{\λ}}_0{\×\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}+{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}\×{\mathrm{\ϵ}}_d}\right)}^{1/2}---\left(2\right)$

可以获得波长较短，强度增强的表面等离子体波；

(6)TE波被反射，在半球棱镜外的反射光束的光路上，放置一个λ/4的波片和一个反射镜，可以将TE波转变成TM波，使之参与照明，增大照明效率；

(7)将CCD探测器置于物体上方进行探测，并记录探测结果，该探测器的物镜与物体之间的距离为5mm；

(8)保持入射面不变，将入射光进行旋转，使之与载玻片平面之间夹角的角度分别为60度和70度，对应每个角度的照明都应用CCD探测器对物体进行探测，并记录探测结果；

(9)将入射面进行旋转，使之垂直于原来的入射面，调节入射光使之与载玻片平面之间的角度分别为50度，60度和70度，同样对应每个角度的照明都应用CCD探测器对物体进行探测，并记录探测结果；

(10)将六次探测结果综合考虑，可获得被探测物体铬线条的三维完整信息，实验装置如图1所示。

Claims (13)

1.一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于以下步骤：

(1)首先确定入射光，根据入射光的波长λ，选择合适材料的半球棱镜；

(2)选择合适的载玻片，并在其表面蒸镀一层金属；

(3)将镀有金属层的载玻片放置于半球棱镜的半球平面上，并将物体放置在载玻片的金属表面上；

(4)入射光在棱镜半球曲面上的某一点沿棱镜半径方向入射，入射光与载玻片平面之间的夹角为θ，光束在载波片表面产生全反射，TM波通过全反射在金属表面产生的表面等离子体波的波长为：

λ_sp＝λ₀×((ε_m+ε_d)/ε_m×ε_d)^1/2    (1)

其中ε_m为金属膜的介电常数，ε_d为金属膜上方覆盖被观测物体的介质的介电常数，λ₀是入射光在真空中的波长，由于金属的介电常数可以表示为复数形式：ε_m＝ε_m′+i×ε_m″，在一定波长范围内ε_m′＜0，|ε_m′|＞＞ε_m″，从而

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sp}}\≈{\mathrm{\λ}}_0{\×\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}+{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m^{\′}\×{\mathrm{\ϵ}}_d}\right)}^{1/2}---\left(2\right)$

通过合理选择金属和介质材料，可以获得波长较短，强度增强的表面等离子体波；

(5)TE波被反射，在半球棱镜外的反射光束光路上放置一个λ/4的波片和一个反射镜；

(6)将探测器置于物体上方进行探测，记录探测结果；

(7)保持入射面不变，转动入射光线，改变入射光与载玻片平面之间的角度θ2～10次，分别对物体进行照明，每改变一次，都利用探测器对物体进行探测，并记录探测结果；

(8)将入射面进行旋转，使之垂直于原来入射面，重复步骤(7)，将所有探测结果综合考虑，可获得被探测物体的三维完整信息。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(1)中的入射光为没有经过偏振处理的光，同时包含TM波和TE波。

3.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(1)中的半球棱镜结构材料根据入射光来选择，可以为可见光波段的石英，二氧化硅，玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(1)中的半球棱镜的半径为10mm～100mm。

5.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(2)中的载波片材料必须与半球棱镜的材料相同。

6.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(2)中的载波片厚度为0.5mm～2mm。

7.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(2)中的金属为金或银。

8.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(2)中的金属层的厚度为10nm～100nm。

9.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(3)中的物体可以为亚波长大小任意形状的结构。

10.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(4)中的入射光跟载波片平面之间的角度θ以及步骤(7)中改变后的入射光跟载波片平面之间的角度θ都在40度到80度的范围内。

11.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(5)中的λ/4波片的材料根据入射光来决定，可以为可见光波段的石英，二氧化硅，玻璃。

12.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(6)中探测器的物镜跟物体之间的距离可以为3mm～10mm。

13.根据权利要求1所述的一种高分辨显微三维成像装置，其特征在于：步骤(6)中的探测器为CCD探测器。

Images