CN105549192B - 超衍射极限结构光照明装置、光学模板、系统及获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学领域，公开了一种超衍射极限的结构光照明装置，包括光学模板及透镜，二者间距等于透镜的焦距，光学模板设有多个并列排布的透过率不同且厚度不同的线形透光区，多个线形透光区关于光学模板的中轴线对称，平行光穿过光学模板后形成第一透射光，经过透镜后形成第二透射光，第二透射光在透镜的焦平面处中间部位的低能量区域形成超衍射极限的结构光，其呈现为正弦波状态的超振荡光栅状强度分布，超衍射极限的结构光的频率大于系统衍射极限对应的空间频率。本发明的超衍射极限结构光的空间频率大于系统衍射极限对应的空间频率，突破了传统结构光照明时最高分辨率仅为衍射极限一半的瓶颈，对结构光照明显微成像具有重要的意义。

Description

超衍射极限结构光照明装置、光学模板、系统及获取方法

技术领域

本发明属于光信息技术领域，尤其涉及一种超衍射极限结构光照明装置、光学模板、系统及获取方法。

背景技术

目前，信息技术已经进入纳米时代，其中纳米光学和光子学的发展尤为重要，例如在纳米光刻、纳米成像和纳米信息存储等信息技术中，都有很重要的应用。但是纳米光学和光子学器件的最小特征尺寸和加工分辨率以及光学显微成像的分辨率，都受限于光的衍射极限。根据阿贝提出的衍射极限理论，人们目前能做的就仅仅是设法使用更短波长的光和更大数值孔径的光学系统，但是现在看来波长和数值孔径基本上已经到了极限，还是满足不了信息技术发展的需求。因此，突破衍射极限的研究十分必要，美国国会在2009年就提出，21世纪光学的五大研究计划之首就是突破衍射极限，《Nature》列出的二十一世纪100个科学问题中也提到了超分辨问题，中国科学院2011年也提出了我国应当加强超分辨技术的研究。一个多世纪以来，科学家们都在为超越衍射极限而努力，产生了不少超分辨的方法。

结构光照明显微成像是目前应用比较广泛的方法之一，能够较容易的实现宽场高时空分辨成像，但是该方法的分辨率极限是光学系统衍射极限的一半(非饱和条件下)，这一瓶颈一直影响着该方法的进一步发展。因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超衍射极限的结构光照明装置，旨在获取超衍射结构光，突破结构光成像的分辨率极限，提高光学系统的分辨率。

本发明是这样实现的，一种超衍射极限的结构光照明装置，包括光学模板及透镜，所述光学模板与所述透镜的间距等于所述透镜的焦距，所述光学模板设有多个并列排布的透过率不同且厚度不同的线形透光区，多个所述线形透光区关于所述光学模板的平行于线形透光区的中轴线对称分布，平行光穿过所述光学模板后形成第一透射光，所述第一透射光经过所述透镜后形成第二透射光，所述第二透射光在所述透镜的焦平面处中间部位的低能量区域形成超衍射极限的结构光，所述超衍射极限的结构光呈现为正弦波状态的超振荡光栅状强度分布，所述超衍射极限的结构光的频率大于系统衍射极限对应的空间频率。

本发明的另一目的在于提供一种光学模板，用于与透镜组合构成超衍射极限的结构光照明装置，所述光学模板与所述透镜的间距等于所述透镜的焦距，所述光学模板设有多个并列排布的透过率不同且厚度不同的线形透光区，多个所述线形透光区关于所述光学模板的平行于线形透光区的中轴线对称分布，平行光穿过所述光学模板后形成第一透射光，所述第一透射光经过所述透镜后形成第二透射光，所述第二透射光在所述透镜的焦平面处中间部位的低能量区域形成超衍射极限的结构光，所述超衍射极限的结构光呈现为正弦波状态的超振荡光栅状强度分布，所述超衍射极限的结构光的频率大于系统衍射极限对应的空间频率。

本发明的另一目的在于提供一种超衍射极限结构光的获取方法，包括下述步骤：

使平行光穿过光学模板，形成第一透射光，所述光学模板设有多个并列排布的透过率不同且厚度不同的线形透光区，多个所述线形透光区关于所述光学模板的平行于线形透光区的中轴线对称分布；

使所述第一透射光经过距离所述光学模板一倍焦距的透镜，形成第二透射光，所述第二透射光于所述透镜的焦平面处的中间部位形成超衍射极限的结构光，所述超衍射极限的结构光的光强度分布呈现为正弦波状态的超振荡光栅状强度分布，所述超衍射极限的结构光的频率大于系统衍射极限对应的空间频率。

本发明的另一目的在于提供一种光学系统，包括所述的超衍射极限的结构光照明装置。

本发明提供的超衍射极限的结构光照明装置采用光学模板对平行入射光进行处理，并使之通过透镜进行傅里叶变换，在透镜的焦平面的中间区域生成超衍射极限的正弦波形式的结构光，该结构光的空间频率大于系统衍射极限对应的空间频率，使该结构光用于结构光照明显微成像时，在其他条件相同的情况下，成像分辨率极限可以小于系统衍射极限的一半，即突破了传统结构光照明时最高分辨率仅为衍射极限一半的瓶颈，对于结构光照明显微成像具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的超衍射极限的结构光照明装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的超衍射极限的结构光照明装置的光学模板的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的莫尔条纹示意图；

图4是本发明实施例提供的样品包含的空间频率k、结构光空间频率k0和莫尔条纹对应的空间频率Km之间的矢量关系；

图5是本发明实施例提供的透镜焦平面处的强度分布图；

图6是本发明实施例提供的透镜焦平面处的整个波形的频谱成分；

图7是图5中椭圆形区域的傅里叶变换结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参考图1，本发明提供一种超衍射极限的结构光照明装置，包括光学模板01及透镜02，光学模板01与透镜02的间距等于透镜02的焦距f，如图2所示，光学模板01设有多个并列排布的透过率不同且厚度不同的线形透光区011，多个线形透光区011关于光学模板01的中轴线L对称分布，该中轴线L是指平行于线形透光区011的将光学模板01均分两份的中轴线，该线形透光区011的不同透过率和不同厚度用以实现光的振幅加相位的调制，以改变入射光的特性。平行光S(单色或准单色的平行光)穿过光学模板01后形成第一透射光，第一透射光经过透镜02的傅里叶变换后形成第二透射光，该第二透射光在透镜02的焦平面处的形态如图1所示，其中间部位的低能量区域形成超衍射极限的结构光S’，该超衍射极限的结构光呈现为正弦波状态的超振荡光栅状强度分布，超衍射极限的结构光的频率大于系统衍射极限对应的空间频率。将该超衍射极限的结构光用于照明光进行成像时，其分辨率可以突破光学系统衍射极限的一半。

在本实施例中，该超衍射极限的结构光S’的傅里叶频谱成分为高于光学系统衍射极限对应频率的部分，超振荡光栅的特征尺寸和光栅区域的大小都可以通过设计透过率模板来调整，其最小特征尺寸小于光学系统的衍射极限，该特征尺寸是指结构光强度分布的最窄的峰的半高全宽，该光学系统则指代基于上述透镜02的光学系统。

进一步地，该光学模板01优选为振幅加相位的调制板，其表面设有用于形成线形透光区011的线形镀膜。超振荡光栅的周期受线形透光区011的振幅和相位调制比例影响。多个线形镀膜分为结构和特性相同的两部分，这两部分左右对称，每个线形镀膜对应一个频带。

以下结合附图进一步对该装置的工作原理进行说明，光波长与系统数值孔径决定了可以通过该系统的空间频率带宽，即在任何一个普通光学系统中，高于频率限制的空间频率成分都会被系统滤掉，从而导致成像系统分辨率受限。在结构光照明显微成像方法中，正是由于这一原因，导致了结构光的最小可分辨尺寸受到限制，使得这一成像方法的分辨率极限为普通成像系统衍射极限的一半。

结构光照明显微成像本身就可以提高横向空间分辨率，其原理可以用莫尔效应来解释。比如样品所包含的某一空间频率k(用光栅条纹表示)，在频率为k0的结构光照明条件下会产生莫尔效应，即如图3所示的莫尔条纹。它们之间的矢量关系可以用图4表示，Km表示莫尔条纹对应的空间频率，由于照明光路和成像光路均受到系统衍射极限限制(对应空间频率kmax)，即k0<＝kmax,km<＝kmax,所以空间频率k的最大值为2kmax，也就是说分辨率最高可以达到衍射极限的一半。超衍射极限的结构光用于照明，就是在局部实现k0>kmax，这样空间频率k就可以大于2kmax，也就是分辨率极限可以小于衍射极限的一半。

本实施例的装置即是这样一种超衍射极限的结构光照明装置，其利用超振荡现象，所谓超振荡是指带限函数可以任意快的振荡在任意大的区间上，局部频率超过其最大傅里叶变换分量，即上述的k0>kmax，该装置可获得利k0>kmax的结构光，即超衍射极限的结构光，并且该结构光和传统的涉及超振荡的结构光不同，其采用零点优化的方法设计出的超振荡波形如图5所示。图5中所示为该超衍射极限的结构光的强度分布，椭圆形区域中，各个零点距离相等，当各个波峰的值近似相等时，这一局部波形便可以看成是正弦波形，并且这个波形是具有超衍射结构的，其最小特征尺寸小于光学系统的衍射极限，可以称之为超振荡光栅。当然，该波形可能不是严格的正弦波形，而是十分接近正弦波形的形态，可称之为“准正弦波”。传统结构光成像的极限分辨率是衍射极限的一半，主要原因就是接收光路和照明光路都受到衍射极限限制，使用该超衍射极限的结构光照明就可以突破结构光的最小可分辨尺寸限制，也就是分辨率极限可以小于衍射极限的一半。

图5所示为透镜02焦平面处的强度分布图，椭圆形区域中为一正弦波形(其傅里叶频谱中某一频率占主要成分)，并且这个波形是具有超衍射结构的，即它的主要频率成分是大于上面提到的kmax的。图6为透镜02焦平面处整个波形的频谱成分，其中两侧点划线表示衍射极限所决定的最高频率。图7为椭圆形区域单独做傅里叶变换的结果，实线表示等效的超振荡光栅对应的频率，图7证明椭圆形区域内的波形确实是超衍射极限的，并且是某一频率占主要成分的准正弦光。该超衍射极限的结构光可以用作结构光显微成像，并且使分辨率极限可以小于衍射极限的一半。

本发明实施例提供的超衍射极限的结构光照明装置采用光学模板01对平行入射光进行处理，并使之通过透镜02进行傅里叶变换，在透镜02的焦平面的中间区域生成超衍射极限的正弦波形式的结构光，该结构光的空间频率大于系统衍射极限对应的空间频率，使该结构光用于结构光照明显微成像时，在其他条件相同的情况下，成像分辨率极限可以小于系统衍射极限的一半，即突破了传统结构光照明时最高分辨率仅为衍射极限一半的瓶颈，并且由于其是正弦光或准正弦光，没有较强的旁瓣，使光学系统在接收端具有较佳的动态范围和信噪比。

本发明实施例中采用的光学模板01是生成超衍射极限的结构光的主要光学部件，具有上述结构特征和光学特征的光学模板01也在本发明的保护范围内。进一步地，采用上述超衍射极限的结构光照明装置的光学系统也在本发明的保护范围内。

本发明进一步提供一种超衍射极限结构光的获取方法，其包括下述步骤：

首先，使平行光穿过光学模板01，形成第一透射光，该光学模板01具有上述光学模板01的结构，即设有多个并列排布的透过率不同且厚度不同的线形透光区011，多个线形透光区011关于光学模板01的平行于线形透光区011的中轴线对称分布；

然后，使第一透射光经过距离光学模板01一倍焦距的透镜02，形成第二透射光，第二透射光于透镜02的焦平面处的中间部位形成超衍射极限的结构光，超衍射极限的结构光的光强度分布呈现为正弦波状态的超振荡光栅状强度分布，超衍射极限的结构光的频率大于系统衍射极限对应的空间频率。

本实施例中，该超衍射极限的结构光的区域大小决定了最终结构光成像的视场大小，实际可以根据要求调整。

该方法是基于本发明提供的超衍射极限的结构光照明装置所实施的，其原理和效果同上所述，本实施例不再重复说明。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超衍射极限的结构光照明装置，其特征在于，包括光学模板及透镜，所述光学模板与所述透镜的间距等于所述透镜的焦距，所述光学模板设有多个并列排布的透过率不同且厚度不同的线形透光区，多个所述线形透光区关于所述光学模板的平行于线形透光区的中轴线对称分布，平行光穿过所述光学模板后形成第一透射光，所述第一透射光经过所述透镜后形成第二透射光，所述第二透射光在所述透镜的焦平面处中间部位的低能量区域形成超衍射极限的结构光，所述超衍射极限的结构光呈现为正弦波状态的超振荡光栅状强度分布，所述超衍射极限的结构光的频率大于系统衍射极限对应的空间频率。

2.如权利要求1所述的超衍射极限的结构光照明装置，其特征在于，所述超衍射极限的结构光的傅里叶频谱成分为高于光学系统衍射极限对应频率的部分。

3.如权利要求1所述的超衍射极限的结构光照明装置，其特征在于，所述超衍射极限的结构光的最小特征尺寸小于光学系统的衍射极限。

4.如权利要求1所述的超衍射极限的结构光照明装置，其特征在于，所述光学模板为振幅加相位的调制板。

5.如权利要求4所述的超衍射极限的结构光照明装置，其特征在于，所述振幅加相位的调制板的表面设有用于形成所述线形透光区的线形镀膜。

6.如权利要求1所述的超衍射极限的结构光照明装置，其特征在于，所述超衍射极限的结构光的周期受所述线形透光区的振幅和相位调制比例影响。

7.如权利要求1所述的超衍射极限的结构光照明装置，其特征在于，所述平行光为单色光或准单色光。

8.一种光学模板，其特征在于，用于与透镜组合构成超衍射极限的结构光照明装置，所述光学模板与所述透镜的间距等于所述透镜的焦距，所述光学模板设有多个并列排布的透过率不同且厚度不同的线形透光区，多个所述线形透光区关于所述光学模板的平行于线形透光区的中轴线对称分布，平行光穿过所述光学模板后形成第一透射光，所述第一透射光经过所述透镜后形成第二透射光，所述第二透射光在所述透镜的焦平面处中间部位的低能量区域形成超衍射极限的结构光，所述超衍射极限的结构光呈现为正弦波状态的超振荡光栅状强度分布，所述超衍射极限的结构光的频率大于系统衍射极限对应的空间频率。

9.一种超衍射极限结构光的获取方法，其特征在于，包括下述步骤：

使平行光穿过光学模板，形成第一透射光，所述光学模板设有多个并列排布的透过率不同且厚度不同的线形透光区，多个所述线形透光区关于所述光学模板的平行于线形透光区的中轴线对称分布；

使所述第一透射光经过距离所述光学模板一倍焦距的透镜，形成第二透射光，所述第二透射光于所述透镜的焦平面处的中间部位形成超衍射极限的结构光，所述超衍射极限的结构光的光强度分布呈现为正弦波状态的超振荡光栅状强度分布，所述超衍射极限的结构光的频率大于系统衍射极限对应的空间频率。

10.一种光学系统，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的超衍射极限的结构光照明装置。