CN101866060A - 超分辨率光学成像装置与方法 - Google Patents

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何浩培
李千秋
杨涛
蔡潮盛
黄维
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南京邮电大学;香港中文大学
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Abstract

本发明公布了一种超分辨率光学成像的装置与方法,该成像装置由基底构成,所述基底上设置凹槽(台阶),凹槽的深度(台阶的高度)设计,使得通过凹槽(台阶)与通过凹槽边缘(台阶外面)的光程差为成像物体发出光波长的一半。位于凹槽(台阶)正上方的光束投射到凹槽底面(台阶表面);其它光束一半通过凹槽底面(台阶表面),一半通过基底边缘,经由凹槽底面(台阶表面)与基底边缘的光束在基底发生自混合干涉相消,取得位于凹槽正上方的光束信息,从而突破衍射极限。本发明体积小,结构简单,实现了超分辨率成像。

Description

超分辨率光学成像装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于自混合干涉实现超分辨率光学成像的装置与方法。 背景技术

[0002] 远场光学中的分辨率受到衍射效应的限制。1873年,德国科学家阿贝(Abbe)根据 衍射理论首次推导出衍射分辨极限,即能够以光学方式分辨的两点间的距离总是大于波长 的一半。后来,瑞利(Rayleigh)将阿贝衍射理论归纳为一个公式:

r n _ 0.6U

[0003] d > -

NA

[0004] 这就是人们所熟知的瑞利判据。该判据表明,当物体上两点之间的距离d大于或 等于不等式右边所规定的量时,物体两点的像点才可以区分开来。否则,两个像点重叠过 多,难以分开。

[0005] 由瑞利判据可知,分辨率与入射光在真空中的波长\成正比,而与物镜的数值孔 径NA成反比.因而,提高分辨率的传统方法包括两种:其一,尽可能选择短的辐射波长,如 利用紫外光、x射线、电子等,但这些光源成本较高,而且并不适合某些应用,尤其是生物医 学方面的应用;其二,提高数值孔径,但若不考虑较少和较难使用的油浸物镜(NA= 1.5左 右)与固体浸没透镜,数值孔径的最大值不超过1.因此,采用传统的方法,远场光学的分辨 极限最高只能达到入/2。

发明内容

[0006] 技术问题:本发明目的是提供一种利用自混合干涉,达到超分辨率光学成像的装 置及其成像方法。本发明突破了远场光学分辨率所受到的衍射极限的限制,进而解决了超 分辨率成像的技术问题。

[0007] 技术方案:本发明为实现上述目的,采用如下技术方案:

[0008] 本发明超分辨率光学成像装置,其特征在于该成像装置由基底构成,所述基底上 设置凹槽,凹槽边缘正上方的入射光束分别通过凹槽与凹槽边缘,凹槽的深度使得所述通 过凹槽的光束与通过凹槽边缘的光束发生相消干涉,使得靠近凹槽边缘的光经过所述相消 干涉而在一定程度上不能直接透过该装置。

[0009] 一种超分辨率光学成像装置,其特征在于该成像装置由基底构成,所述基底上设 置台阶,台阶边缘正上方的入射光束分别通过台阶与台阶边缘,台阶的深度使得所述通过 台阶的光束与通过台阶边缘的光束发生相消干涉,使得靠近台阶边缘的光经过所述相消干 涉而在一定程度上不能直接透过该装置。

[0010] 所述的超分辨率光学成像装置,所述基底所用的材料为透光材料。

[0011] 所述的超分辨率光学成像装置,其特征在于所述台阶所用的材料为透光材料。

[0012] 所述的超分辨率光学成像装置的成像方法,位于所述超分辨率光学成像装置上方 的成像物体发出的光束被汇聚在凹槽上,由于衍射极限、互相重叠形成一个像点;位于凹槽正上方的光束投射到凹槽底面的中部通过底面;其它光束一半通过凹槽底面,一半通过基 底边缘,经由凹槽底面与基底边缘的光束在基底开始发生自混合干涉相消,则取得位于凹 槽正上方的超分辨率样品图像。

[0013] 所述的超分辨率光学成像装置的成像方法,位于所述超分辨率光学成像装置上方 的成像物体发出的光束被汇聚在台阶上,由于衍射极限、互相重叠形成一个像点;位于台阶 正上方的光束通过台阶投射到基底底面;其它光束一半通过台阶表面,一半通过基底边缘, 经由台阶表面与基底边缘的光束在基底开始发生自混合干涉相消,则取得位于台阶正上方 的超分辨率样品图像。

[0014] 有益效果:本发明具有以下优点:

[0015] 1.实现超分辨率成像,突破远场光学的分辨极限.

[0016] 2.成本较低,不需要特殊的光源或较难使用的油浸物镜.

[0017] 3.体积小,结构简单。器件的尺度在微米量级。

附图说明

[0018] 图1是本发明的结构原理图,采用凹槽结构。

[0019] 图2是图1的横截面图。

[0020] 图3是本发明的另一结构原理图,采用台阶结构。

[0021] 图4是图3的横截面图。

[0022] 图中有凹槽1,基底2,台阶3。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:

[0024] 如图1至图4所示,本发明是一种利用自混合干涉,达到超分辨率光学成像的装置 及其成像方法,由透明材料做成的基底2以及基底2上的台阶3 (或基底2上的凹槽1)构 成。其原理是:成像光束在聚焦透镜的作用下,汇聚在台阶3 (或凹槽1)的表面,其中有一 部分光入射在台阶3 (或凹槽1)的边缘而被波面分束,由于通过台阶3 (或凹槽1)和不通 过台阶3 (或凹槽1)的出射光路径不同,导致相位差异.控制台阶3 (或凹槽1)的高度,使 得两束光的相位差为pi。当这两束光在台阶3 (或凹槽1)的下方发生自混合干涉时,相消 现象就会发生。比如自混合干涉装置,可放置于共焦显微系统的成像焦面上。共焦显微系 统所产生的成像光束,聚焦在台阶3(或凹槽1)的表面。此成像光束受制于衍射极限,可看 成由几束光组成,每束光来自一个物点,汇聚于一个像点,几个像点相互重叠,无法区分。台 阶3(或凹槽1)的设计,使得一个像点的光束通过台阶3 (或凹槽1)中央部分,受相消干涉 影响较小,而其它像点的光束则部分通过台阶3 (或凹槽1)的边缘部分,受相消干涉影响较 大。所以通过台阶3(或凹槽1)后,除了通过中央部分的光束,其它光束在自混合相消干涉 的作用下,损耗较大,通过中央部分的光束得以剥离出来,测量此光束,便获得了它代表的 像点的信息,于是此像点与其它像点分离,实现了超分辨率成像。同样原理适用于目标像点 与周围多个噪音像点共存的情况,利用自混合相消干涉,可将目标像点剥离出来,达到超分 辨。

[0025] 设想共焦显微系统产生了一个像点,这个像点对应样品的一个很小的区域。假设此区域包含三个发光点,生成三束光,由共焦系统聚焦,本应产生三个像点,然而由于衍射 极限的限制,三个像点难以分开,便形成上述一个像点。下面通过举例,说明如何将三个像 点分开。

[0026] 图1、图2分别为一具自混合干涉装置的结构图和横截面图,干涉装置基底2上表 面有一个凹槽1。A、B、C代表上述来自三个发光点的三束光,它们被聚焦在凹槽上,由于衍 射极限,互相重叠,形成一个像点。三束光中,B光束投射到凹槽底面的中部,大部分通过底 面,较少部分通过凹槽边缘;而A和C光束则偏向凹槽的边缘,大约一半通过底面,一半通过 边缘,经由底面与边缘的子光束,在基底2开始发生自混合干涉。凹槽边缘的高度设计,使 得通过底面与通过边缘的光程差为光波长的一半,即位相差为pi。这样,B光束只有较少 部分参与自混合相消干涉,损耗较少,但A和C光束一分为二,发生相消干涉,损耗较大。所 以,只有B光束可以大部透过,或者说,B光束得以分离出来。

[0027] 图3、图4分别为另一具自混合干涉装置的结构图和横截面图.图中在基底2上表 面有一个台阶3。台阶的作用相当于前述凹槽,即台阶的高度设计,使得通过台阶表面与通 过外面的光程差为光波长的一半。与前例相似,A、B、C三束光中,B光束大部分通过台阶表 面,A和C光束则一半通过台阶表面,一半通过台阶外面。同样,只有B光束损耗较小,与A 和C光束分离。

[0028] 获取B光束的信息,便得到前述一个发光点的信息。移动样品,便得到另一个发光 点的信息。因此,利用扫描技术,可取得超分辨率样品图像。

Claims (7)

  1. 一种超分辨率光学成像装置,其特征在于该成像装置由基底(2)构成,所述基底(2)上设置凹槽(1),凹槽(1)边缘正上方的入射光束分别通过凹槽(1)与凹槽(1)边缘,凹槽(1)的深度使得所述通过凹槽(1)的光束与通过凹槽(1)边缘的光束发生相消干涉,使得靠近凹槽(1)边缘的光因为相消干涉而在一定程度上不能直接透过该装置。
  2. 2. 一种超分辨率光学成像装置,其特征在于该成像装置由基底(2)构成,所述基底(2) 上设置台阶(3),台阶(3)边缘正上方的入射光束分别通过台阶(3)与台阶(3)边缘,台阶 (3)的深度使得所述通过台阶(3)的光束与通过台阶(3)边缘的光束发生相消干涉,使得靠 近台阶(3)边缘的光经过所述相消干涉而在一定程度上不能直接透过该装置。
  3. 3.根据权利要求1所述的超分辨率光学成像装置,其特征在于所述基底(2)所用的材 料为透光材料。
  4. 4.根据权利要求2所述的超分辨率光学成像装置,其特征在于所述基底(2)所用的材 料为透光材料。
  5. 5.根据权利要求2所述的超分辨率光学成像装置,其特征在于所述台阶(3)所用的材 料为透光材料。
  6. 6.根据权利要求1所述的超分辨率光学成像装置的成像方法,其特征在于位于所述超 分辨率光学成像装置上方的成像物体发出的光束被汇聚在凹槽(1)上,由于衍射极限、互 相重叠形成一个像点;位于凹槽(1)正上方的光束投射到凹槽(1)底面的中部通过底面; 其它光束一半通过凹槽(1)底面,一半通过基底(2)边缘,经由凹槽(1)底面与基底(2)边 缘的光束在基底(2)发生自混合干涉相消,取得位于凹槽(1)正上方的超分辨率样品图像。
  7. 7.根据权利要求2所述的超分辨率光学成像装置的成像方法,其特征在于位于所述超 分辨率光学成像装置上方的成像物体发出的光束被汇聚在台阶(3)上,由于衍射极限、互 相重叠形成一个像点;位于台阶(3)正上方的光束通过台阶(3)投射到基底(2)底面;其它 光束一半通过台阶(3)表面,一半通过基底(2)边缘,经由台阶(3)表面与基底(2)边缘的 光束在基底(2)发生自混合干涉相消,取得位于台阶(3)正上方的超分辨率样品图像。
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