CN102122062A - 平板移束超衍射分辨率显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板移束超衍射分辨率显微镜装置，包括依次位于同一光路上的准直物镜、横向移束平板、纵向移束平板、聚焦物镜和目镜。物点发出的光经准直物镜后成为平行光，该平行光经横向移束平板的多次反射和透射后，产生多束透射光，合成光束在横向扩束，再经纵向移束平板后，合成光束在纵向扩束，经扩束后的平行光透过聚焦物镜后，会形成更小的衍射斑，从而突破普通显微镜的衍射分辨率限制。

Description

平板移束超衍射分辨率显微镜

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种显微镜装置，具体为一种平板移束超衍射分辨率显微镜。由于采用光学玻璃平板内部的多次反射和透射，使从物镜出射的光束平行移动多次，每次产生一束透射光，并与直接透射光束一起构成若干倍于入射光束宽度的出射光束，经聚焦镜后，可以形成更小的聚焦光斑，从而提高成像的分辨率。本发明可以用于所有透射和反射显微镜。

背景技术

普通显微镜是一种经典的光学仪器，它是由物镜和目镜组成。普通显微镜的分辨率由物镜的数值孔径决定，其理论依据是光的衍射：

图1的普通显微镜中，由于物体S0与物镜OL的距离(物距L1)很短，因此，即使物方孔径角u1很大，物镜OL的孔径也很小，而光线经物镜所形成的像点S2距离物镜的距离(像距L2)却很大，这就导致在像方聚焦后，光线的会聚角u2(像方孔径角)远小于物方孔径角u1，其所形成的衍射光斑因此较大，根据圆孔衍射的理论，衍射光斑半径为：

ρ＝0.61λ/u2

将物镜的横向放大率β＝u1/u2代入，在物方的分辨率为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\β}}=0.61\mathrm{\λ}/u1$

这正是物镜在物方的衍射斑的尺寸。显然，传统显微镜分辨率的限制在于u2太小。

发明内容

本发明的目的是提供一种平板移束超衍射分辨率显微镜，该显微镜采用光学的方法增大显微物镜的像方会聚角u2，从而增大显微镜的分辨率。

本发明提供的一种平板移束超衍射分辨率显微镜，其特征在于，该显微镜包括依次位于同一光路上的准直物镜、横向移束平板、纵向移束平板、聚焦物镜和目镜；

设准直物镜的光轴为z轴(图2)，则横向移束平板的表面与x轴平行，且其表面法线与z轴的夹角βx、厚度hx满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}2n\·\mathrm{hx}\·\cos \mathrm{\θx}=\mathrm{kx}\·\mathrm{\λ}\\ 2\mathrm{hx}\tan \mathrm{\θ}x\cos \mathrm{\βx}\≈a\end{array}\right.$

其中，n为横向移束平板的折射率，θx为光线在横向移束平板内的折射角，λ为光的波长，a为光束的宽度，hx为横向移束平板的厚度，βx为横向移束平板的倾斜角，kx为任意正整数；

纵向移束平板的表面与y轴平行，且其表面法线与z轴的夹角βy、厚度hy满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}2n\·\mathrm{hy}\·\cos \mathrm{\θy}=\mathrm{ky}\·\mathrm{\λ}\\ 2\mathrm{hy}\tan \mathrm{\θ}y\cos \mathrm{\βy}\≈a\end{array}\right.$

其中，n为纵向移束平板的折射率，θy为光线在纵向移束平板内的折射角，λ为光的波长，a为光束的宽度，hy为纵向移束平板的厚度，βy为纵向移束平板的倾斜角，ky为任意正整数。

本发明显微镜工作时，物点S0发出的光以孔径角u1进入准直物镜OL1，出射后成为平行光a1b1，a1b1随即进入横向移束平板px，一部分透射，成为b3c1，一部分反射，经两个表面的反射后，再透射成为b4c2，由于b3c1和b4c2平行，他们共同成为横向移束平板px的透射光，因此，光束a1b1在y方向增宽了；光束b3c1和b4c2随即进入纵向移束平板py，平板py的表面与y轴平行，与在平板px中类似，光束b3c1和b4c2分别直接透射一束光，经两次反射后各再透射一束光，成为4束光c3e1、c4e3、c7e2和c8e4，因此在x方向平移增宽了；因此，从准直物镜OL1出来的光束a1b1沿x和y两个方向都增宽了，并仍然保持平行光，且波阵面同相位，此光束再经聚焦物镜OL2后，所形成的衍射斑将比单独a1b1光束经聚焦物镜OL2后所形成的衍射斑小，根据衍射理论，如果a1b1增宽一倍，则衍射斑将缩小一倍，如果a1b1增宽N倍，则衍射斑将缩小N倍。因此，本发明显微镜将有超过传统显微镜衍射极限的更高的分辨率。

附图说明

图1是传统显微镜光路示意图；

图2是本发明装置的光路原理示意图；

图3是本发明装置的zoy视图；

图4是本发明装置的zox视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例为本发明作进一步详细的说明：

本发明提供的平板移束超衍射分辨率显微镜，其特征在于(图2)：该装置包括准直物镜OL1、横向移束平板px、纵向移束平板py，聚焦物镜OL2，目镜EL。

本发明的基本原理如图2所示，其工作过程如下：

本发明显微镜工作时，物点S0发出的光以孔径角u1进入焦距为f1的准直物镜OL1，出射后成为平行光a1b1，其光束宽度a为

a＝2f1×u1                    (1)

a1b1随即进入横向移束平板px，平板px的表面与x轴平行；

图3为在zoy坐标平面内，光线在平板px内部的行进路径示意图，进入平板px的光束b1b3在b3点一部分透射，成为b3c1，一部分反射，成为b3b2，光束b3b2再经b2点的反射和b4点的透射后，成为b4c2。

选择px的厚度hx和倾斜角βx，使b4c2相对b3c1的光程差opd是波长λ的整数kx倍，即

opd＝2n·hx·cosθx＝kx·λ                (2)

式中n是平板px的折射率，θx是光线在平板px内的折射角。满足式(2)，b4c2和b3c1的波阵面的相位就是一致的！其中，kx为任意正整数；

同时，选择px的厚度hx和倾斜角βx，使b4c2相对b3c1的横向偏移量dx与光束的宽度近似相等

dx＝b4t＝2hxtanθxcosβx≈a            (3)

其中，βx是平板px表面法线与光轴z的夹角，也就是光线在平板px表面的入射角，显然

sinβx＝nsinθx                    (4)

在实施中，a、hx是已知量，故先由公式(3)和(4)算出平板px需要的大致转角βx，然后，由于波长λ相对于a、hx是非常小的量，只需对平板px作精细微调旋转，略微改变一点βx(从而改变θx)，就可以满足(2)式，同时，也满足(3)式。

由于b3c1和b4c2平行，他们共同成为横向移束平板px的透射光，因此，光束a1b1在y方向增宽了；

光束b3c1和b4c2随即进入纵向移束平板py，平板py的表面与y轴平行，图4为在zox坐标平面内，光线在平板py内部的行进路径示意图，需说明的是，光束b4c2在b3c1的纸面下方，故被遮挡而不可见。

与在平板px内的情形相同，光束b3c1和b4c2分别直接透射一束光c3e1和c4e3，经两次反射后各再透射一束光c7e2和c8e4，成为4束光，使得光束b3c1和b4c2在x方向平移增宽，同时，通过平板py的厚度hy和倾斜角βy的设计和调节，确保c3e1和c7e2的光程差是波长λ的整数倍，c4e3和c8e4的光程差也是波长λ的整数倍ky，ky为任意正整数。

自此，从准直物镜OL1出来的光束a1b1变成了4束光束，即沿x和y两个方向都增宽了，并且不但保持平行光，且4束光束波阵面同相位，此光束再经聚焦物镜OL2后，所形成的衍射斑将比单独a1b1光束经聚焦物镜OL2后所形成的衍射斑小，根据衍射理论，如果e1e3的光束总宽度为2a，则衍射光斑半径为：

ρ′＝0.61λ/(2a/f2)

将物镜的横向放大率β＝f2/f1代入，在物方的分辨率为

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}{\mathrm{\β}}=\frac{1}{2}\×0.61\mathrm{\λ}/(a/f1)=\frac{1}{2}\×0.61\mathrm{\λ}/u1$

对比前述传统显微镜的分辨率ε，显然，ε′只有ε的一半，即本发明显微镜的分辨率提高了一倍，它只是物镜在物方的衍射斑尺寸的一半。

同理，如果将光束a1b1的宽度增大N倍，则分辨率将提高N倍！

目镜EL用于由人眼观察物镜的像S1，也可以将S1成像到摄像机的传感面上，再在显示器上观察。

实施例：

图2中，准直物镜焦距f1＝16mm，u1＝0.15，则a＝2f1×u1＝4.8mm。

平板折射率n＝1.5，厚度hx＝hy＝10mm。

根据(3)式，解出

平板倾斜角βx＝βy≈22°

聚焦物镜焦距f1＝110mm

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种平板移束超衍射分辨率显微镜，其特征在于，该显微镜包括依次位于同一光路上的准直物镜、横向移束平板、纵向移束平板、聚焦物镜和目镜；

设准直物镜的光轴为z轴，则横向移束平板的表面与x轴平行，且其表面法线与z轴的夹角βx、厚度hx满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}2n\·\mathrm{hx}\·\cos \mathrm{\θx}=\mathrm{kx}\·\mathrm{\λ}\\ 2\mathrm{hx}\tan \mathrm{\θ}x\cos \mathrm{\βx}\≈a\end{array}\right.$

n为横向移束平板的折射率，θx为光线在横向移束平板内的折射角，λ为光的波长，a为光束的宽度，hx为横向移束平板的厚度，βx为横向移束平板的倾斜角，kx为任意正整数；

纵向移束平板的表面与y轴平行，且其表面法线与z轴的夹角βy、厚度hy满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}2n\·\mathrm{hy}\·\cos \mathrm{\θy}=\mathrm{ky}\·\mathrm{\λ}\\ 2\mathrm{hy}\tan \mathrm{\θ}y\cos \mathrm{\βy}\≈a\end{array}\right.$

其中，n为纵向移束平板的折射率，θy为光线在纵向移束平板内的折射角，λ为光的波长，a为光束的宽度，hy为纵向移束平板的厚度，βy为纵向移束平板的倾斜角，ky为任意正整数。

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