CN103256888B - 一种超分辨移动光栅共焦成像装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种超分辨移动光栅共焦成像装置与方法属于光学精密测量技术领域；该装置设置有类型相同，空间周期相同，在物空间和像空间的共轭位置以等大反向的速度直线运动或圆周转动的调制移动光栅和解调移动光栅，设置具有滤波或对时间积分功能的信号处理装置；该方法利用调制移动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移动光栅进行解调，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。

Description

一种超分辨移动光栅共焦成像装置与方法

技术领域

一种超分辨移动光栅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

光学显微术是一种历史悠久且十分重要的无破坏性技术，被广泛应用于生物和材料科学等领域。共焦显微测量技术是一种适用于微米及亚微米尺度测量的三维光学显微技术。反射式共焦显微系统的层析能力使之在三维成像领域显得十分重要。在20世纪50年代中后期，共焦显微镜由Minsky发明，1977年，C.J.R.Sheppard和A.Choudhury首次阐明共焦显微系统在点针孔掩模的作用下，以牺牲视场为代价，使横向分辨率提高到相同孔径普通显微镜的1.4倍。此后，共焦显微测量技术受到普遍关注，成为了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。

超分辨移动光栅成像方法源自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。1997年，基于Lukosz的思想D.Mendlovic等人利用Dammann光栅代替普通光栅以改进Lukosz的移动光栅原理实现4-F系统超分辨并得到验证性实验结果。1999年，D.Mendlovic等人利用计算机技术改进移动光栅4-F系统超分辨方法并通过二维光栅实现二维超分辨实验结果。2008年，VicenteMico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。

目前尚未出现将超分辨移动光栅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移动光栅的优点，本发明公开了一种超分辨移动光栅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：

一种超分辨移动光栅共焦成像装置，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、调制移动光栅、第一收集物镜、第二收集物镜、解调移动光栅、针孔、光强探测器以及信号处理装置；所述的调制移动光栅和解调移动光栅的光栅类型相同，空间周期相同，在物空间和像空间的共轭位置以等大反向的速度直线运动或圆周转动；所述的信号处理装置具有滤波或对时间积分的功能。

上述的一种超分辨移动光栅共焦成像装置，所述的调制移动光栅和解调移动光栅为衍射级次为二级或高于二级的Dammann光栅。

上述的一种超分辨移动光栅共焦成像装置，所述的调制移动光栅和解调移动光栅为一维光栅或二维光栅。

上述的一种超分辨移动光栅共焦成像装置，所述的调制移动光栅紧贴样本，解调移动光栅与针孔紧贴光强探测器，距离均在隐矢波穿透深度内。

一种超分辨移动光栅共焦成像方法，利用调制移动光栅对共焦系统中经过样品后的光进行时空调制，并在调制光进入探测器前通过解调移动光栅进行解调，得到扫描点瞬时光强信号I(x_s,y_s；t)，最后进行信号处理，得到扫描点光强I(x_s,y_s)。

本发明超分辨移动光栅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等大反向的速度直线运动或圆周转动的调制移动光栅和解调移动光栅，设置具有滤波或对时间积分功能的信号处理装置；该方法利用调制移动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移动光栅进行解调，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；这种将移动光栅引入共焦显微技术的设计，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。

附图说明

图1是本发明超分辨移动光栅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时一维超分辨移动正弦光栅共焦横向归一化光强仿真图。

图4是当轴向归一化坐标u＝0，NA＝0.1时一维超分辨移动二级Dammann光栅共焦横向归一化光强仿真图。

图5是当轴向归一化坐标u＝0，NA＝0.1时基本共焦，一维超分辨移动正弦光栅共焦和一维超分辨移动二级Dammann光栅在x轴方向上归一化光强曲线仿真图。

图6是当轴向归一化坐标u＝0，NA＝0.1时二维超分辨移动二维正弦光栅共焦横向归一化光强仿真图。

图中：1激光光源、2准直扩束器、3聚焦物镜、4样品、5调制移动光栅、6第一收集物镜、7第二收集物镜、8解调移动光栅、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。

以下实施例的超分辨移动光栅共焦成像装置结构示意图如图1所示，该装置均包括激光光源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、调制移动光栅5、第一收集物镜6、第二收集物镜7、解调移动光栅8、针孔9、光强探测器10以及信号处理装置11；所述的调制移动光栅5和解调移动光栅8的光栅类型相同，空间周期相同，在物空间和像空间的共轭位置以等大反向的速度运动；所述的信号处理装置11具有滤波或对时间积分的功能。所述的调制移动光栅5紧贴样本，解调移动光栅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。

以下实施例的超分辨移动光栅共焦成像方法，利用调制移动光栅对共焦系统中经过样品后的光进行时空调制，并在调制光进入探测器前通过解调移动光栅进行解调，得到扫描点瞬时光强信号I(x_s,y_s；t)，最后进行信号处理，得到扫描点光强I(x_s,y_s)。

具体实施例一

采用的调制移动光栅5和解调移动光栅8均为衍射级次为0和±1的一维正弦光栅，且在物空间和像空间的共轭位置以等大反向的速度匀速运动，聚焦物镜3与第一收集物镜6的汇聚角相等，即空气中数值孔径相等，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

ν₀≥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)=|\[A_0^2+2A_{\±1}^{2}cos\left(4v_x\right)\]{\[\frac{2J_1\left(v\right)}{v}\]}^2{|}^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；为正弦光栅光栅0级衍射效率；为正弦光栅光栅±1级衍射效率；J₁(v)为一阶第一类贝塞尔函数。

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移动正弦光栅共焦横向归一化光强仿真图。

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，出现的旁瓣会因为共焦系统中针孔得到抑制。

具体实施例二

本实施例与具体实施例一的不同在于：采用的调制移动光栅5和解调移动光栅8均为衍射级次为0、±1和±2的二级Dammann光栅。

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)=|\[1+2cos\left(4v_x\right)+2\cos \left(2v_x\right)\]{\[\frac{2J_1\left(v\right)}{v}\]}^2{|}^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(v)为一阶第一类贝塞尔函数。

图4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移动二级Dammann光栅共焦横向归一化光强仿真图。

通过对比图2与图4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，出现的旁瓣会因为共焦系统中针孔得到抑制。

将基本共焦、具体实施例一和具体实施例二得到的仿真结果绘制在一起，如图5所示，说明了衍射级次增加，光斑主瓣将进一步变小，但是会增加旁瓣数量。使用Dammann可以等到相同衍射效率的各衍射级次光。

具体实施例三

本实施例与具体实施例一和具体实施例二的不同在于：采用的调制移动光栅5和解调移动光栅8均为x轴和y轴衍射级次为0和±1的二维正弦光栅，该二维正弦光栅的x轴方向与y轴方向的空间频率相等，且在物空间和像空间的共轭位置以等大反向的速度匀速运动，且y轴方向上的速度为x轴方向上的3倍。

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)=|\[A_0^2+2A_{\±1}^{2}cos\left(4v_x\right)\]\[A_0^2+2A_{\±1}^{2}cos\left(4v_y\right)\]{\[\frac{2J_1\left(v\right)}{v}\]}^2{|}^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；为正弦光栅光栅0级衍射效率；为正弦光栅光栅±1级衍射效率；J₁(v)为一阶第一类贝塞尔函数。

图6所示的是当轴向归一化坐标u＝0，NA＝0.1时，本实施例的二维超分辨移动二维正弦光栅共焦横向归一化光强仿真图。

通过对比图2与图6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二维超分辨，出现的旁瓣会因为共焦系统中针孔得到抑制。

Claims (4)

1.一种超分辨移动光栅共焦成像装置，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)、调制移动光栅(5)、第一收集物镜(6)、第二收集物镜(7)、解调移动光栅(8)、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)；所述的调制移动光栅(5)和解调移动光栅(8)的光栅类型相同，空间周期相同，在物空间和像空间的共轭位置以等大反向的速度直线运动或圆周转动；

其特征在于：

所述的调制移动光栅(5)和解调移动光栅(8)的空间频率需满足

ν₀≥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；

所述的调制移动光栅(5)在样品(4)隐矢波穿透深度内紧贴样品(4)设置，解调移动光栅(8)在隐矢波穿透深度内紧贴针孔(9)设置。

2.根据权利要求1所述的一种超分辨移动光栅共焦成像装置，其特征在于：所述的调制移动光栅(5)和解调移动光栅(8)为衍射级次为二级或高于二级的Dammann光栅。

3.根据权利要求1所述的一种超分辨移动光栅共焦成像装置，其特征在于：所述的调制移动光栅(5)和解调移动光栅(8)为一维光栅或二维光栅。

4.一种在权利要求1所述超分辨移动光栅共焦成像装置上实现的超分辨移动光栅共焦成像方法，利用调制移动光栅(5)对共焦系统中经过样品(4)后的光进行时空调制，并在调制光进入探测器前通过解调移动光栅(8)进行解调，得到扫描点瞬时光强信号I(x_s,y_s；t)，最后进行信号处理，得到扫描点光强I(x_s,y_s)，

其特征在于：

在调制移动光栅(5)和解调移动光栅(8)均为衍射级次为0和±1的一维正弦光栅时，且在物空间和像空间的共轭位置以等大反向的速度匀速运动，聚焦物镜(3)与第一收集物镜(6)的汇聚角相等，即空气中数值孔径相等，NA＝0.1时，经过滤波或积分的信号处理后归一化光强为：

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；为正弦光栅光栅0级衍射效率；为正弦光栅光栅±1级衍射效率；J₁(v)为一阶第一类贝塞尔函数；

在调制移动光栅(5)和解调移动光栅(8)均为衍射级次为0、±1和±2的二级Dammann光栅时，且在物空间和像空间的共轭位置以等大反向的速度匀速运动，聚焦物镜(3)与第一收集物镜(6)的汇聚角相等，即空气中数值孔径相等，NA＝0.1时，经过滤波或积分的信号处理后归一化光强为：

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(v)为一阶第一类贝塞尔函数；

在调制移动光栅(5)和解调移动光栅(8)均为x轴和y轴衍射级次为0和±1的二维正弦光栅，该二维正弦光栅的x轴方向与y轴方向的空间频率相等，且在物空间和像空间的共轭位置以等大反向的速度匀速运动，且y轴方向上的速度为x轴方向上的3倍，且聚焦物镜(3)与第一收集物镜(6)的汇聚角相等，即空气中数值孔径相等，NA＝0.1时，经过滤波或积分的信号处理后归一化光强为：

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；为正弦光栅光栅0级衍射效率；为正弦光栅光栅±1级衍射效率；J₁(v)为一阶第一类贝塞尔函数。