CN102230883B - 一种高分辨率的高速偏振差异成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分辨率的高速偏振差异成像方法，利用声光偏转器的高速时分偏转光路特性与侧向位移偏振分光棱镜对正交线偏振光的整合特性，产生可以控制的偏振方向高速正交变化的线偏振光，提高两个方向的系统分辨率，形成高速偏振差异成像方法，此方法克服了先技术中只能提高一个方向的系统分辨率的缺点；提高了系统的扫描效率；系统误差降低，分辨精度提高；系统稳定性更好，高分辨成像速度快。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学技术，特别涉及一种高分辨率的高速偏振差异成像方法。
背景技术
偏振差异成像在光学显微成像等领域中有重要的研究意义。例如，共焦显微镜系统是物象共轭的点对点成像，聚焦的激光束在样品表面扫描，同时光电检测器件接收样品反射光（或透射光），样品结构的变化使反射光（或透射光）强度改变，因而使光电检测器的输出电流改变，经过信号处理，同步显示在计算机屏幕上。由于照射的线偏振光通过高数值孔径的透镜聚焦，产生的是面积很小的椭圆光斑，因此没有来自邻近区域的散射光的影响，从而可以提高信噪比，增强了对比度。同时由于是直接接收反射光，因此检测灵敏度高，且检测系统比较简单。如果沿椭圆光斑短轴方向对样品扫描，根据瑞利判据，共焦显微镜扫描步长为两倍椭圆短轴距离时，光电探测器即可响应反射光强度的改变，即分辨出两点的差异，系统分辨率很高。如果沿椭圆光斑长轴方向对样品扫描，且扫描步长小于两倍椭圆长轴距离时，根据瑞利判据，光电探测器将不能响应反射光强度的改变，无法分辨出两点的差异。因此系统的分辨率决定于聚焦光斑长轴大小。在先技术中,参见“K.A.Serrels，E.Ramsay，R.J.Warburton and D.T.Reid，Nanoscale optical microscopy in the vectorial focusing regime，nature photonics，vol.2，May2008,311-314”，为了提高分辨率，在扫描长轴方向时机械的插入二分之一波片改变入射线偏振光的偏振方向，但是这会降低系统改变扫描方向时的扫描速率及系统分辨精度，而且由于其中一束入射光多经过了一次二分之一波片，因此这两束正交偏振光的入射功率不同，从而使聚焦光束功率发生变化，会增加系统误差，系统稳定性不高。
发明内容
本发明是针对现在偏振差异成像技术存在的问题，提出了一种高分辨率的高速偏振差异成像方法，高速改变入射线偏振光的偏振方向，在同一扫描位置多次聚焦成像，同时提高两个相互垂直方向的系统分辨率。
本发明的技术方案为：一种高分辨率的高速偏振差异成像方法，包括如下具体步骤:
1)构建高分辨率的高速偏振差异成像光学平台，光学平包括光源、起偏器、主二分之一波片、声光偏转器、中性密度滤波片、第一反射镜、第二反射镜、辅助二分之一波片、侧向位移偏振分光棱镜、半透半反镜、高数值孔径的物镜、扫描样品、透镜、针孔、光电探测器；光源）发出的光束在主光路上依次通过起偏器、主二分之一波片、声光偏转器、中性密度滤波片、侧向位移偏振分光棱镜、半透半反镜，通过声光偏转器后分时分出的分支光路上，另一束光依次通过第一反射镜、第二反射镜、辅助二分之一波片、侧向位移偏振分光棱镜，通过侧向位移偏振分光棱镜之后分支光路整合到主光路中，通过半透半反镜的反射光路上依次通过高数值孔径的物镜、扫描样品，扫描样品的反射光依次通过高数值孔径的物镜、半透半反镜，之后的透射光依次通过透镜、针孔、光电探测器；
2)光源发出的光束在主光路上经过起偏器和主二分之一波片形成特定方向的线偏振光；
3)通过声光偏转器，利用计算机调节声光偏转器驱动器的超声信号频率，使线偏振光的传播方向在两个方向切换，分时产生两束线偏振光，其中一束仍然沿主光路传播，另一束为分支光路；
4)分支光路的线偏振光依次通过第一反射镜、第二反射镜和辅助二分之一波片改变偏振方向，调节辅助二分之一波片，使两束线偏振光的偏振方向相互垂直；主光路的线偏振光通过中性密度滤波片校准功率，使两束线偏振光经过侧向位移偏振分光棱镜之后的光功率相同；之后分支光路的线偏振光通过侧向位移偏振分光棱镜整合到主光路中，形成一束偏振方向分时正交变化的线偏振光，偏振方向可以控制；通过半透半反镜，进入高数值孔径的物镜，在扫描位置聚焦形成长轴方向分时正交变化的两个椭圆光斑，椭圆的长轴方向即为线偏振光的偏振方向；
5)样品反射光依次通过高数值孔径的物镜、半透半反镜、透镜、针孔、光电探测器；对样品逐行逐点扫描，调节主二分之一波片，使系统横向扫描样品的方向为其中一个聚焦椭圆光斑短轴的方向，样品结构的变化使反射光强度改变，从而改变光电检测器的输出电流，经过数据处理，得到聚焦位置的样品信息；
6)利用计算机同步系统扫描速率和入射线偏振光偏振方向的改变速率，首先横向扫描样品的第一行，根据瑞利判据，系统扫描距离为两倍的聚焦椭圆短轴长度时，光电探测器可响应反射光强的变化，分辨样品两点，首先在第一行选取一定数量的可分辨点的数据；之后改变入射线偏振光的偏振方向，再次扫描样品的第一行中这些点，得到另一组数据；之后进行数据处理，将两次扫描得到的信号数据整合在一起，形成一组新的第一行的一定数量点的数据，使系统横向和纵向可以分辨样品两点的距离都为两倍的聚焦椭圆光斑的短轴长度；之后扫描点纵向移动到样品的第二行，移动的距离为光电探测器可响应光强变化时的距离，改变入射线偏振光的偏振方向，扫描样品的第二行；以此类推，对样品逐行扫描，每一行扫描两次，两次分别使用偏振方向正交的线偏振光聚焦，第一次提取一定数量的可分辨点的数据，第二次再次提取这些点的数据，之后进行数据处理，将两次扫描得到的信号数据整合在一起，形成一组新的每一行的一定数量点的数据，使系统横向和纵向可以分辨样品两点的距离都为两倍的聚焦椭圆光斑的短轴长度；这时系统可分辨点为一个阵列，横纵方向相邻两点的距离都为两倍的聚焦椭圆光斑的短轴长度，即系统分辨率取决于聚焦椭圆光斑的短轴长度，实现了高分辨率的高速偏振差异成像。
本发明的有益效果在于：本发明高分辨率的高速偏振差异成像方法，提高了两个垂直方向的系统分辨率，克服了先技术中只能提高一个方向的系统分辨率的缺点；提高了系统的扫描效率；系统误差降低，分辨精度提高；系统稳定性更好，高分辨成像速度快。
附图说明
图1为本发明高分辨率的高速偏振差异成像的结构示意图；
图2为本发明高分辨率的高速偏振差异成像方法中扫描样品时提高分辨率的示意图。
具体实施方式
通常，利用偏振差异成像，由于聚焦产生椭圆光斑，根据瑞利判据，只能增加椭圆短轴方向的系统分辨率，共焦显微镜扫描长轴方向时扫描步长反而需要更长，系统才可以分辨两点的差异，所以系统分辨率反而降低，整个系统的分辨率决定于长轴大小。如果在扫描长轴方向时机械的插入二分之一波片，改变入射线偏振光的偏振方向，虽然可以提高该方向的系统分辨率，但是会降低系统改变扫描方向时的扫描速率，并且会增加系统误差，降低系统分辨率精度，稳定性不高。本发明利用声光偏转器的高速时分偏转光路特性与侧向位移偏振分光棱镜对正交线偏振光的整合特性，产生可以控制的偏振方向高速正交变化的线偏振光，提高两个方向的系统分辨率，形成高速偏振差异成像方法，具体步骤如下：
(1)构建高分辨率的高速偏振差异成像光学平台。如图1所示成像结构示意图，光学平台由光源1、起偏器2、主二分之一波片3、声光偏转器4、中性密度滤波片5、第一反射镜6、第二反射镜7、辅助二分之一波片8、侧向位移偏振分光棱镜9、半透半反镜10、高数值孔径的物镜11、扫描样品12、透镜13、针孔14、光电探测器15构成；光源1发出的光束在主光路上依次通过起偏器2、主二分之一波片3、声光偏转器4、中性密度滤波片5、侧向位移偏振分光棱镜9、半透半反镜10，通过声光偏转器4后分时分出的分支光路上，另一束光依次通过第一反射镜6、第二反射镜7、辅助二分之一波片8、侧向位移偏振分光棱镜9，通过侧向位移偏振分光棱镜9之后分支光路整合到主光路中（即两束光束经过侧向位移偏振分光棱镜9之后沿主光路方向传播），通过半透半反镜10的反射光路上依次通过高数值孔径的物镜11、扫描样品12，扫描样品12的反射光依次通过高数值孔径的物镜11、半透半反镜10，之后的透射光依次通过透镜13、针孔14、光电探测器15；
(2)光源1发出的光束在主光路上经过起偏器2和主二分之一波片3形成特定方向的线偏振光；
(3)通过声光偏转器4，利用计算机调节声光偏转器驱动器的超声信号频率，使线偏振光的传播方向在两个方向切换，分时产生两束线偏振光，其中一束仍然沿主光路传播，另一束为分支光路；
(4)分支光路的线偏振光依次通过第一反射镜6、第二反射镜7和辅助二分之一波片8改变偏振方向，调节辅助二分之一波片8，使两束线偏振光的偏振方向相互垂直；主光路的线偏振光通过中性密度滤波片5校准功率，使两束线偏振光经过侧向位移偏振分光棱镜9之后的光功率相同；之后分支光路的线偏振光通过侧向位移偏振分光棱镜9整合到主光路中，形成一束偏振方向分时正交变化的线偏振光，偏振方向可以控制；通过半透半反镜10，进入高数值孔径的物镜11，在扫描位置聚焦形成长轴方向分时正交变化的两个椭圆光斑，椭圆的长轴方向即为线偏振光的偏振方向；
(5)样品反射光依次通过高数值孔径的物镜11、半透半反镜10、透镜13、针孔14、光电探测器15；对样品逐行逐点扫描，调节主二分之一波片3，使系统横向扫描样品的方向为其中一个聚焦椭圆光斑短轴的方向，样品结构的变化使反射光强度改变，从而改变光电检测器的输出电流，经过数据处理，得到聚焦位置的样品信息。
(6)利用计算机同步系统扫描速率和入射线偏振光偏振方向的改变速率，首先横向扫描样品的第一行，根据瑞利判据，系统扫描距离为两倍的聚焦椭圆短轴长度时，光电探测器可响应反射光强的变化，分辨样品两点。本实施例中，如图2所示，第一行选取前一百个可分辨点的数据；之后改变入射线偏振光的偏振方向，再次扫描样品的第一行中这一百个点，得到这一百个点的数据；之后进行数据处理，将两次扫描得到的信号数据整合在一起，形成一组新的第一行的前一百个点的数据，使系统横向和纵向可以分辨样品两点的距离都为两倍的聚焦椭圆光斑的短轴长度；之后扫描点纵向移动到样品的第二行，移动的距离为光电探测器可响应光强变化时的距离，改变入射线偏振光的偏振方向，扫描样品的第二行；以此类推，在本实施例中，如图2所示，共扫描样品的前100行，对样品每一行扫描两次，两次分别使用偏振方向正交的线偏振光聚焦，第一次提取前一百个可分辨点的数据，第二次再次提取这一百个点的数据，之后进行数据处理，将两次扫描得到的信号数据整合在一起，形成一组新的每一行的前一百个点的数据，使系统横向和纵向可以分辨样品两点的距离都为两倍的聚焦椭圆光斑的短轴长度；这时系统可分辨点为一百乘以一百的阵列，横纵方向相邻两点的距离都为两倍的聚焦椭圆光斑的短轴长度，即系统分辨率取决于聚焦椭圆光斑的短轴长度，实现了高分辨率的高速偏振差异成像。
本实施例完成了高分辨率的高速偏振差异成像方法的设计，与在先技术相比，该方法可以由计算机同步控制变化聚焦线偏振光的偏振方向，对样品扫描两次，利用数据处理将两组探测数据整合成一组数据，光电探测器在两个垂直方向都可以更好的响应反射光强的变化，即可以同时减少两个方向下系统可分辨的两点距离，同时提高了两个垂直方向的系统分辨率，克服了先技术中只能提高一个方向的系统分辨率的缺点；利用声光偏转器和侧向位移偏振分光棱镜产生了偏振方向可控高速正交变化的线偏振光，可以很好的结合系统的扫描速度，提高了系统的扫描效率；利用中性密度滤波片校准了两束正交偏振入射光的功率，系统误差降低，分辨率精度高；并且整体系统采用计算机同步控制，无机械运动装置，系统稳定性更好。
Claims (1)
1.一种高分辨率的高速偏振差异成像方法，其特征在于，包括如下具体步骤:
1)构建高分辨率的高速偏振差异成像光学平台，光学平台包括光源（1）、起偏器（2）、主二分之一波片（3）、声光偏转器（4）、中性密度滤波片（5）、第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、辅助二分之一波片（8）、侧向位移偏振分光棱镜（9）、半透半反镜（10）、高数值孔径的物镜（11）、扫描样品（12）、透镜（13）、针孔（14）、光电探测器（15）；光源（1）发出的光束在主光路上依次通过起偏器（2）、主二分之一波片（3）、声光偏转器（4）、中性密度滤波片（5）、侧向位移偏振分光棱镜（9）、半透半反镜（10），通过声光偏转器（4）后分时分出的分支光路上，另一束光依次通过第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、辅助二分之一波片（8）、侧向位移偏振分光棱镜（9），通过侧向位移偏振分光棱镜（9）之后分支光路整合到主光路中，通过半透半反镜（10）的反射光路上依次通过高数值孔径的物镜（11）、扫描样品（12），扫描样品（12）的反射光依次通过高数值孔径的物镜（11）、半透半反镜（10），之后的透射光依次通过透镜（13）、针孔（14）、光电探测器（15）；
2)光源（1）发出的光束在主光路上经过起偏器（2）和主二分之一波片（3）形成特定方向的线偏振光；
3)通过声光偏转器（4），利用计算机调节声光偏转器驱动器的超声信号频率，使线偏振光的传播方向在两个方向切换，分时产生两束线偏振光，其中一束仍然沿主光路传播，另一束为分支光路；
4)分支光路的线偏振光依次通过第一反射镜（6）、第二反射镜（7）和辅助二分之一波片（8）改变偏振方向，调节辅助二分之一波片（8），使两束线偏振光的偏振方向相互垂直；主光路的线偏振光通过中性密度滤波片（5）校准功率，使两束线偏振光经过侧向位移偏振分光棱镜（9）之后的光功率相同；之后分支光路的线偏振光通过侧向位移偏振分光棱镜（9）整合到主光路中，形成一束偏振方向分时正交变化的线偏振光，偏振方向可以控制；所述的整合到主光路中的线偏振光通过半透半反镜（10），进入高数值孔径的物镜（11），在扫描位置聚焦形成长轴方向分时正交变化的两个椭圆光斑，椭圆的长轴方向即为线偏振光的偏振方向；
5)样品反射光依次通过高数值孔径的物镜（11）、半透半反镜（10）、透镜（13）、针孔（14）、光电探测器（15）；对样品逐行逐点扫描，调节主二分之一波片（3），使系统横向扫描样品的方向为其中一个聚焦椭圆光斑短轴的方向，样品结构的变化使反射光强度改变，从而改变光电探测器的输出电流，经过数据处理，得到聚焦位置的样品信息；
6)利用计算机同步系统扫描速率和入射线偏振光偏振方向的改变速率，首先横向扫描样品的第一行，根据瑞利判据，系统扫描距离为两倍的聚焦椭圆光斑短轴长度时，光电探测器可响应反射光强的变化，分辨样品两点，首先在第一行选取一定数量的可分辨点的数据；利用计算机调节声光偏转器，改变入射线偏振光的偏振方向，再次扫描样品的第一行中这些点，得到另一组数据；之后进行数据处理，将两次扫描得到的信号数据整合在一起，形成一组新的第一行的一定数量点的数据，使系统横向和纵向可以分辨样品两点的距离都为两倍的聚焦椭圆光斑的短轴长度；之后扫描点纵向移动到样品的第二行，移动的距离为光电探测器可响应光强变化时的距离即两倍的聚焦椭圆光斑短轴长度，利用计算机调节声光偏转器，改变入射线偏振光的偏振方向，按照扫描第一行的方式扫描样品的第二行；以此类推，对样品逐行扫描，每一行扫描两次，两次分别使用偏振方向正交的线偏振光聚焦，第一次提取一定数量的可分辨点的数据，第二次再次提取这些点的数据，之后进行数据处理，将两次扫描得到的信号数据整合在一起，形成一组新的每一行的一定数量点的数据，使系统横向和纵向可以分辨样品两点的距离都为两倍的聚焦椭圆光斑的短轴长度；这时系统可分辨点为一个阵列，横纵方向相邻两点的距离都为两倍的聚焦椭圆光斑的短轴长度，即系统分辨率取决于聚焦椭圆光斑的短轴长度，实现了高分辨率的高速偏振差异成像。
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