CN104279984A - 基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法 - Google Patents

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刘俭
谭久彬
张贺
刘辰光
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Abstract

基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法属于光学显微测量领域；该装置包括飞秒激光器、传导光纤、准直物镜、二向色镜、聚焦物镜、镀膜样品、三维微位移载物台、滤光片、收集物镜和光电探测器。本发明利用飞秒激光器经传导光纤和准直物镜得到平行光，再经二向色镜和聚焦物镜将光束聚焦到放置在三维微位移载物台上的镀膜样品上，聚焦光斑非线性激发荧光膜发出的荧光信号被光电探测器收集，最后通过荧光信号强度峰值提取的方式确定镀膜样品表面位置。采用发明装置与方法测量光滑自由曲面，可以高精度测量法线与光轴方向夹角大的光滑自由曲面样品表面形貌。

Description

基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法
技术领域
基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法属于光学显微测量领域。
背景技术
对于光滑自由曲面表面样品，在法线与光轴方向夹角大的区域，由于照明到样品表面的光因镜面反射而无法被完全收集，或几乎无法被收集，所以其表面形貌无法高精度测量，甚至无法测量。因而如何高精度测量具有较大斜率的光滑自由曲面的样品成了光学测量领域的一个难题。
在样品表面形貌测量领域，激光扫描共聚焦显微术(Laser Scanning ConfocalMicroscopy；LSCM)是常用的方法。该方法采用精密针孔滤波技术，使得只有处于焦平面位置上的信息能够被探测，最大限度地抑制了非聚焦平面的杂散光，具有较高的信噪比；同时系统沿Z轴方向可以实现无损光学断层扫描，从而实现对较厚样本的三维成像。但是使用激光扫描共聚焦显微术测量具有光滑自由曲面表面的样品时，在样品表面斜率较大区域，由于光束发生镜面反射导致照明光几乎无法收集，所以该区域的形貌无法测量。
双光子显微成像装置由W.Denk,J.H.Strickler和W.W.Webb于1989年提出W.Denk,J.H.Strickler and W.W.Webb(1989)‘Two-photon lasers canning fluorescence microscopy’，Science，248(4951):73～76)，其基本思想是使用脉冲激光照射生物细胞中的荧光物质，荧光物质被脉冲激光光斑非线性激发，处于焦平面上的荧光物质发出荧光信号，处于焦平面外的荧光物质不发出荧光信号，从而实现对生物细胞的层析成像。由于工业测量领域的测量对象无法发出荧光，所以双光子显微成像装置主要应用在生物显微成像领域，目前尚未有应用在工业样品形貌测量的先例。即使将双光子显微镜简单地移植到工业样品形貌测量领域，也无法克服光束在具有光滑自由曲面的样品表面产生镜面反射导致的收集信号光强极弱的问题。
发明内容
本发明的目的就是针对上述传统方法难以测量具有较大斜率的光滑自由曲面样品形貌的问题，提出了一种基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法，在光滑自由曲面样品表面镀上一层荧光膜，利用荧光膜在激光照射下向各个方向辐射出荧光的特性，避免了光束在光滑自由曲面发生镜面反射导致信号光难以收集的问题；同时，采用双光子激发原理，使用飞秒脉冲激光非线性激发荧光物质，一方面提高层析成像效果，另一方面非线性激发效应代替了探测器前的针孔，显著提高信噪比。通过基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法，最终解决高精度测量具有较大斜率的光滑自由曲面样品形貌的问题。
本发明的目的是这样实现的：
基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，包括：激发模块、扫描成像模块和镀膜样品；
所述的激发模块包括：飞秒激光器、传导光纤、准直物镜；在飞秒激光器之后依次配置传导光纤和准直物镜；
所述的扫描成像模块包括：二向色镜、聚焦物镜、三维微位移载物台、滤光片、收集物镜和光电探测器；在二向色镜的反射光路上依次配置聚焦物镜和三维微位移载物台，在二向色镜透射光路上配置滤光片、收集物镜和光电探测器；
所述的镀膜样品为表面镀了荧光物质薄膜的待测样品；
所述的激发模块中的飞秒激光器发出激发光，经过传导光纤和准直物镜之后形成平行光，平行光束经过二向色镜反射和聚焦物镜透射后在镀膜样品上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激发镀膜样品发出荧光；处于焦平面上的荧光膜非线性激发出荧光，在焦平面以上或以下的区域不产生荧光；
所述镀膜样品表面激发出的荧光经过聚焦物镜、二向色镜、滤光片透射后被收集物镜会聚，最后被光电探测器收集。
上述的基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，所述的镀膜样品表面通过蒸镀的方法镀上一层有机荧光膜，所述的荧光膜厚度不超过1μm。
基于双光子方法测量光滑自由曲面样品方法，包括以下步骤：
(a)通过蒸镀的方法在样品表面形成一层厚度不超过1μm的有机荧光膜，所述的荧光物质与样品轮廓紧密贴合，形成镀膜样品；
(b)飞秒激光器发出激发光，经过传导光纤和准直物镜之后形成平行光，平行光束经过二向色镜反射和聚焦物镜透射后在镀膜样品上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激发镀膜样品发出荧光；处于焦平面上的荧光膜非线性激发出荧光，在焦平面以上或以下的区域不产生荧光；
(c)光电探测器收集荧光信号，三维微位移载物台带动镀膜样品三维移动，形成三维扫描成像；
(d)使用水或有机溶剂清洗掉样品表面的荧光膜。
本发明的良好效果在于：
1)通过对待测样品镀上荧光膜的方式，克服了传统共焦方法等光学测量技术受光束在光滑自由曲面样品表面发生镜面反射的限制，基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法可以实现对样品侧面反射的信号光的收集，达到高精度测量具有较大斜率的光滑自由曲面样品形貌的目的。
2)将双光子显微技术应用到工业测量领域，有利于提高对样品轮廓的层析能力，同时非线性激发效应代替了探测器前的针孔，显著提高信噪比。
附图说明
图1是基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置结构示意图。
图中件号说明：1、飞秒激光器、2、传导光纤、3、准直物镜、4、二向色镜、5、聚焦物镜、6、镀膜样品、7、三维微位移载物台、8、滤光片、9、收集物镜、10、光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细说明。
本实施例为装置和方法实施例。
本实施例的基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，结构示意图如图1所示。该装置包括：激发模块、扫描成像模块和镀膜样品6；
所述的激发模块包括：飞秒激光器1、传导光纤2、准直物镜3；在飞秒激光器1之后依次配置传导光纤2和准直物镜3；
所述的扫描成像模块包括：二向色镜4、聚焦物镜5、三维微位移载物台7、滤光片8、收集物镜9和光电探测器10；在二向色镜4的反射光路上依次配置聚焦物镜5和三维微位移载物台7，在二向色镜4透射光路上配置滤光片8、收集物镜9和光电探测器10；
测量使用时：
(a)通过蒸镀的方法将易溶于水的荧光材料罗丹明B镀到样品表面，形成一层厚度不超过1μm的荧光膜，所述的荧光膜与样品轮廓紧密贴合，形成镀膜样品6；
(b)飞秒激光器1发出激发光，经过传导光纤2和准直物镜3之后形成平行光，平行光束经过二向色镜4反射和聚焦物镜5透射后在镀膜样品6上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激发镀膜样品6发出荧光；处于焦平面上的荧光膜非线性激发出荧光，在焦平面以上或以下的区域不产生荧光；
(c)光电探测器10收集荧光信号，三维微位移载物台7带动镀膜样品6三维移动，形成三维扫描成像；
(d)使用水或有机溶剂清洗掉样品表面的荧光膜。

Claims (3)

1.基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，其特征在于，包括：激发模块、扫描成像模块和镀膜样品(6)； 
所述的激发模块包括：飞秒激光器(1)、传导光纤(2)、准直物镜(3)；在飞秒激光器(1)之后依次配置传导光纤(2)和准直物镜(3)； 
所述的扫描成像模块包括：二向色镜(4)、聚焦物镜(5)、三维微位移载物台(7)、滤光片(8)、收集物镜(9)和光电探测器(10)；在二向色镜(4)的反射光路上依次配置聚焦物镜(5)和三维微位移载物台(7)，在二向色镜(4)透射光路上配置滤光片(8)、收集物镜(9)和光电探测器(10)； 
所述的镀膜样品(6)为表面镀了荧光物质薄膜的待测样品； 
所述的激发模块中的飞秒激光器(1)发出激发光，经过传导光纤(2)和准直物镜(3)之后形成平行光，平行光束经过二向色镜(4)反射和聚焦物镜(5)透射后在镀膜样品(6)上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激发镀膜样品(6)发出荧光；处于焦平面上的荧光膜非线性激发出荧光，在焦平面以上或以下的区域不产生荧光； 
所述镀膜样品(6)表面激发出的荧光经过聚焦物镜(5)、二向色镜(4)、滤光片(8)透射后被收集物镜(9)会聚，最后被光电探测器(10)收集。 
2.根据权利要求1所述的基于双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，其特征在于，所述的镀膜样品(6)表面通过蒸镀的方法镀上一层有机荧光膜，所述的荧光膜厚度不超过1μm。 
3.基于双光子方法测量光滑自由曲面样品方法，其特征在于，包括以下步骤： 
(a)通过蒸镀的方法在样品表面形成一层厚度不超过1μm的有机荧光膜，所述的荧光物质与样品轮廓紧密贴合，形成镀膜样品(6)； 
(b)飞秒激光器(1)发出激发光，经过传导光纤(2)和准直物镜(3)之后形成平行光，平行光束经过二向色镜(4)反射和聚焦物镜(5)透射后在镀膜样品(6)上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激发镀膜样品(6)发出荧光；处于焦平面上的荧光膜非线性激发出荧光，在焦平面以上或以下的区域不产生荧光； 
(c)光电探测器(10)收集荧光信号，三维微位移载物台(7)带动镀膜样品(6)三维移动，形成三维扫描成像； 
(d)使用水或有机溶剂清洗掉样品表面的荧光膜。 
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