CN103245292B - 一种超分辨声光调制共焦成像装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种超分辨声光调制共焦成像装置与方法属于光学精密测量技术领域；该装置设置有类型和空间周期相同，在物空间和像空间的共轭位置以相同频率相反方向超声波驱动的喇曼-奈斯衍射型调制声光栅和解调声光栅，设置具有滤波或对时间积分功能的信号处理装置；该方法利用调制声光栅对共焦系统中经过样品后的光进行时空调制，并在调制光进入光强探测器前通过解调声光栅进行解调，得到扫描点瞬时光强信号，最后进行信号处理，得到扫描点光强；本发明无需引入移动部件，即可提高共焦系统空间截止频率，甚至可以使隐矢波成分参与成像，拓宽空间频域带宽，从而显著改善系统横向分辨力，尤其适用于提高数值孔径以及实现近场隐矢波成分在远场成像的测量领域。

Description

一种超分辨声光调制共焦成像装置与方法

技术领域

一种超分辨声光调制共焦成像装置与方法属于光学精密测量技术领域。

背景技术

光学显微术是一种无破坏性技术，被广泛应用于生物和材料科学等领域。共焦显微测量技术由于反射式共焦显微系统的层析能力以及横向分辨率提高到相同孔径普通显微镜的1.4倍的成像优势，现今已成为一种适用于微米及亚微米尺度测量的三维光学显微技术，是显微科学领域的重要分支。

但是，传统共焦技术一直受到由于透镜孔径限制与近场隐矢波的迅速衰减所导致的传统透镜数值孔径无法超过1的原理限制，因此无法突破衍射极限，实现超精细结构的隐矢波成像。

超分辨声光调制成像方法源自Lukosz，1967年，Lukosz认为光学系统的时间带宽与空间带宽的乘积为一个常数，提出了牺牲时间分辨率实现空间超分辨的思想：利用移动光栅或者声光栅，牺牲时间带宽来增加空间带宽。在1997年和1999年，基于Lukosz的思想D.Mendlovic等人利用移动光栅超分辨原理实现4-F系统超分辨并取得实验验证。2008年，Vicente Mico等人利用旋转光栅系统提高了4-F系统横向分辨力，并得到实验结果。

但是，对于超分辨移动光栅系统而言，由于存在移动部件，实验系统的复杂性大大增加。2012年，Evgenii Narimanov等人提出了超分辨声光调制系统，该系统中利用喇曼奈斯(Raman-Nath)衍射型声光栅，因此不需要移动部件。

目前尚未出现将超分辨声光调制成像方法引入共焦显微系统的报道。

发明内容

为了同时获得共焦技术和超分辨声光调制成像方法的优点，本发明公开了一种超分辨声光调制共焦成像装置与方法，该装置与方法可以提高共焦系统空间截止频率，甚至可以使隐矢波成分参与成像，拓宽空间频域带宽，从而显著改善系统横向分辨力，尤其适用于提高数值孔径以及实现近场隐矢波成分在远场成像的测量领域。

本发明的目的是这样实现的：

一种超分辨声光调制共焦成像装置，包括激光光源，沿激光光源光线传播方向依次放置准直扩束器、聚焦物镜、样品、喇曼-奈斯衍射型调制声光栅、第一收集物镜、第二收集物镜、喇曼-奈斯衍射型解调声光栅、针孔、光强探测器以及信号处理装置；所述的调制声光栅和解调声光栅的光栅类型相同，空间周期相同，设置在物空间和像空间的共轭位置，采用的超声波驱动频率相同，方向相反；所述的信号处理装置具有滤波或对时间积分的功能。

上述的一种超分辨声光调制共焦成像装置，所述的调制声光栅紧贴样本，解调声光栅与针孔紧贴光强探测器，距离均在隐矢波穿透深度内。

一种超分辨声光调制共焦成像方法，利用调制声光栅对共焦系统中经过样品后的光进行时空调制，并在调制光进入光强探测器前通过解调声光栅进行解调，得到扫描点瞬时光强信号I(x_s,y_s；t)，最后利用信号处理装置进行信号处理，得到扫描点光强I(x_s,y_s)。

本发明超分辨声光调制共焦成像装置与方法，该装置设置有类型相同，空间周期相同，在物空间和像空间的共轭位置以相同频率相反方向超声波驱动的喇曼-奈斯衍射型调制声光栅和解调声光栅，设置具有滤波或对时间积分功能的信号处理装置；该方法利用调制声光栅对共焦系统中经过样品后的光进行时空调制，并在调制光进入光强探测器前通过解调声光栅进行解调，得到扫描点光强信号，最后进行信号处理，得到扫描点光强；这种将声光栅引入共焦显微技术的设计，可以在不引入移动部件的条件下，提高共焦系统空间截止频率，甚至可以使隐矢波成分参与成像，拓宽空间频域带宽，从而显著改善系统横向分辨力，尤其适用于提高数值孔径以及实现近场隐矢波成分在远场成像的测量领域。

附图说明

图1是本发明超分辨声光调制共焦成像装置结构示意图。

图2是当轴向归一化坐标u=0，NA=0.1时基本共焦横向归一化光强仿真图。

图3是当轴向归一化坐标u=0，NA=0.1时，本实施例的一维超分辨声光调制光栅共焦横向归一化光强。

图中：1激光光源、2准直扩束器、3聚焦物镜、4样品、5调制声光栅、6第一收集物镜、7第二收集物镜、8解调声光栅、9针孔、10光强探测器、11信号处理装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例的超分辨声光调制共焦成像装置结构示意图如图1所示，该装置包括激光光源1，沿激光光源1光线传播方向依次放置准直扩束器2、聚焦物镜3、样品4、喇曼-奈斯衍射型调制声光栅5、第一收集物镜6、第二收集物镜7、喇曼-奈斯衍射型解调声光栅8、针孔9、光强探测器10以及信号处理装置11；所述的调制声光栅5和解调声光栅8的光栅类型相同，空间周期相同，设置在物空间和像空间的共轭位置，采用的超声波驱动频率相同，方向相反；所述的信号处理装置11具有滤波或对时间积分的功能。所述的调制声光栅5紧贴样本，解调声光栅8与针孔9紧贴光强探测器10，距离均在隐矢波穿透深度内。

本实施例的超分辨声光调制共焦成像方法，利用调制声光栅5对共焦系统中经过样品4后的光进行时空调制，并在调制光进入光强探测器10前通过解调声光栅8进行解调，得到扫描点瞬时光强信号I(x_s,y_s;t)，最后利用信号处理装置11进行信号处理，得到扫描点光强I(x_s,y_s）。

喇曼-奈斯衍射型声光栅，衍射级次越高衍射光效率越低。本实施例采用的调制声光栅5和解调声光栅8均为衍射级次为0和±1的一维正弦光栅，且聚焦物镜3与第一收集物镜6的汇聚角相等，即数值孔径相等，本实施例选择NA=0.1。

本实例中，为了使频带扩展后的CTF不重叠，所使用光栅的空间频率需满足

v₀≥4sin(α₀)／λ

其中，v₀为光栅的空间频率，即光栅空间周期的倒数；α₀为聚焦物镜3与第一收集物镜6的汇聚角；λ为照明光波长；

经过滤波或积分的信号处理后归一化光强为：

$I(v,v_x,v_y,)\≈{\left|\right[1+2J_1^2\left(\mathrm{\ξ}\right)\cos \left(4v_x\right)\left]{\left[\frac{2J_1\left(v\right)}{v}\right]}^2\right|}^2$

其中，(v_x，v_y)为扫描点归一化x,y轴坐标;v为扫描点归一化径向坐标；J₁(x)为一阶第一类贝塞尔函数，ξ为声光栅光栅±1级衍射光由于Δn而引起的被调制光束的相位变化。

图2所示的是当轴向归一化坐标u=0，NA=0.1时基本共焦横向归一化光强仿真图。

图3所示的是当轴向归一化坐标u=0，NA=0.1时，本实施例的一维超分辨声光调制光栅共焦横向归一化光强。

通过对比图2与图3可以看出，光斑主瓣在一个方向上明显变小，本实例中实现了共焦系统的一维超分辨。

Claims (2)

1.一种超分辨声光调制共焦成像装置，包括激光光源(1)，沿激光光源(1)光线传播方向依次放置准直扩束器(2)、聚焦物镜(3)、样品(4)、第一收集物镜(6)、第二收集物镜(7)、针孔(9)、光强探测器(10)以及具有滤波或对时间积分功能的信号处理装置(11)；所述的针孔(9)紧贴光强探测器(10)，样品(4)与针孔(9)分别位于物空间和像空间的共轭位置，

其特征在于：

还包括光栅类型相同、空间频率相同的喇曼-奈斯衍射型调制声光栅(5)和喇曼-奈斯衍射型解调声光栅(8)，空间频率满足：

ν₀≥4sin(α₀)/λ

其中，v₀为光栅的空间频率；α₀为聚焦物镜(3)与第一收集物镜(6)的汇聚角；λ为照明光波长；

所述喇曼-奈斯衍射型调制声光栅(5)在样品(4)隐矢波穿透深度内紧贴样品(4)设置，所述喇曼-奈斯衍射型解调声光栅(8)在针孔(9)隐矢波穿透深度内紧贴针孔(9)设置，喇曼-奈斯衍射型调制声光栅(5)和喇曼-奈斯衍射型解调声光栅(8)采用的超声波驱动频率相同，方向相反。

2.一种在权利要求1所述超分辨声光调制共焦成像装置上实现的超分辨声光调制共焦成像方法，利用调制声光栅(5)对共焦系统中经过样品(4)后的光进行时空调制，并在调制光进入光强探测器(10)前通过解调声光栅(8)进行解调，得到扫描点瞬时光强信号I(x_s,y_s；t)，最后利用信号处理装置(11)进行信号处理，得到扫描点光强I(x_s,y_s)，其特征在于：所述的扫描点光强经过滤波或积分的信号处理后归一化光强为：

$I(v,v_x,v_y)\≈{\left|\right[1+2J_1^2\left(\mathrm{\ξ}\right)\cos \left({4v}_x\right)\left]{\left[\frac{{2J}_1\left(v\right)}{v}\right]}^2\right|}^2$

其中，(v_x,v_y)为扫描点归一化x,y轴坐标；v为扫描点归一化径向坐标；J₁(x)为一阶第一类贝塞尔函数，ξ为声光栅光栅±1级衍射光由于Δn而引起的被调制光束的相位变化。