CN109269980B - 一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，连续型激光经过准直扩束，被显微物镜聚焦形成强聚焦光场，捕获并操控单个介质微球，实现单光镊介质微球。照明光束经准直后，经过物镜照明样品，通过CCD相机采集图像。成像时，物体表面结构信息先经过被捕获的微球，后进入显微镜，最后由CCD成像，可实现高分辨率成像。本发明在实现介质微球操控的同时，还能实现高的成像分辨率，能够在远场区域，通过面成像方式，实现特征尺寸220nm的微纳结构测量，具有高分辨力、并行、快速测量等优点。
Description
技术领域
本发明属于光学测量工程的技术领域，具体涉及一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法。
背景技术
人类对微观世界的探究永不止步，随着对微观结构的研究越来越深入，对分辨率的要求也越来越高，发展高分辨率的微纳检测技术对现代生物、医学、材料等基础领域和IT、高端制造等技术领域都具有重大意义。随着生物医学和材料科学的快速发展，人们希望从分子层面探究生命过程，从纳米乃至亚纳米尺度研究材料结构特征与其功能、性能之间的直接联系。先进微纳加工技术的快速发展，必然离不开高精度的微纳检测技术。同时，高精度微纳检测技术在在引力波、同步辐射等大科学工程中也有着重要的应用。
光学检测技术作为微纳检测技术的典型代表之一，在许多领域都有十分重要的应用。但由于光学衍射极限的存在，传统光学显微镜的横向分辨力受到极大限制，根据阿贝衍射原理，光学系统最高横向分辨力仅为入射波长的1/2。分辨率受限来源于隐矢波的丢失，隐矢波中包含物体精细结构信息，其强度随着距离指数衰减，因此只存在于近场。如何实现高分辨光学测量，一直是科学界关注的热点与难点问题之一。
光学检测方法根据作用距离的远近，可以分为近场测量方法与远场测量方法两类。其中，近场测量方法作用距离极短、测量效率低，极大的限制了在实际中的应用。而远场高分辨测量方法，具有极强的可操作性。基于共聚焦原理结合光瞳滤波、超振荡等技术，能够提升横向分辨力，但由于是点测量方式，测量效率低。而基于结构光频域调制方法，能够大面积成像，但受限于测量原理，横向分辨力仅能提升一倍。为了进一步增强成像分辨率，各种新的测量方法被不断提出。这其中，受自然界液滴能够实现更高成像分辨力现象启发，2011年，王增波小组在《Nature Communications》上提出了基于介质微球的增强分辨率的成像技术，将直径微米量级的介质微球，与传统显微镜结合，采用白光作为光源，实现高分辨力成像。该方法具有低成本、高分辨力等优点，在众多远场超分辨测量技术中独具一格。目前使用介质微球用于测量仍然存在很多问题：测量视场狭窄；微球直接放置在样品表面，无法获得最佳成像质量。因此，为了促进微纳检测的发展，研究基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法具有十分重要的意义。
本方法采用光镊原理操控单个介质微球，克服微球直接放置在样品表面的缺点，可获得最佳成像效果，提高测量效率，从而实现一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，可以实现高灵活性、高分辨力、快速测量，测量精度可到纳米量级。
本发明所采用的技术方案是：一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，以介质微球为核心，采用光镊技术，实现介质微球空间位置的任意操控，获得最佳成像效果。在此基础上，利用白光照明，CCD采集高分辨率的图像。测量系统光学部分主要可以分为三大部分，分别是操控光路、照明光路、探测光路。
所述方法包括步骤为：
步骤S1：在操控光路中，准直扩束后的激光束后经物镜聚焦形成单个光势阱，从而捕获单个介质微球，操控并移动介质微球获得最佳成像效果；
步骤S2：在照明光路中，白光光源经过准直后，经过显微镜，再经过介质微球，对样品进行照明；
步骤S3：利用CCD采集图像，进行成像分析，评估介质微球分辨能力；
其中，操控光路采用单光镊原理实现对介质微球空间位置操控。该部分采用激光光源，通过高倍率显微镜形成强聚焦点，以实现介质微球灵活操控。可使用的介质微球包括折射率为1.46的二氧化硅微球、折射率为1.59的PS微球、折射率为1.9的钛酸钡微球、折射率为2.2的二氧化钛微球
其中，照明光路采用LED光源，通过高倍率显微镜，再经过介质微球照明样品。
其中，探测光路通过成像传感器CCD记录高分辨率的图像。
其中，测量系统中所有光路均共用同一高倍率显微镜，便于实现介质微球操控，为提高介质微球成像分辨力，采用浸没式测量方式，将介质微球以及待测结构均置于浸没液中进行测量。
其中，采用单光镊技术操控介质微球，获得最佳成像质量，利用白光照明光源进行照明，得到图像最清晰时即为调焦准确的位置，CCD采集图像，并进行成像分析，实现高分辨率成像；该方法能够在远场区域，通过面成像方式，实现特征尺寸220nm的微纳结构测量，具有高分辨力、并行、快速测量优点。其中，在CCD前可以使用截止滤光片虑掉杂散光。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明采用单光镊技术实现单个介质微球灵活操控，精确控制微球位置，实现最佳成像质量，提高检测效率。
(2)、本发明能够利用介质微球的成像特性，实现高分辨率光学测量。
附图说明
图1为本发明一种基于单光镊介质微球高分辨率的光学检测方法流程图。
图2为本发明光镊捕获介质微球及高分辨成像示意图。其中，1为激光器，2为第一双凸透镜，3为第二双凸透镜，4为二向色镜，5为显微物镜，6为介质微球，7为浸没液体，8为待测物体，9为样品池，10为压电陶瓷，11为LED白光光源，12为第一Tube镜，13为分光镜，14为滤光镜，15为第二Tube镜，16为探测器CCD。
具体实施方式
为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1与图2所示，该种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，能够灵活操控介质微球的位置，实现高分辨光学检测。
步骤S1：在操控光路中，准直扩束后的激光束后经物镜聚焦形成单个光势阱，从而捕获单个介质微球，操控并移动介质微球获得最佳成像效果；
步骤S2：在照明光路中，白光光源经过准直后，经过显微镜，再经过介质微球，对样品进行照明；
步骤S3：利用CCD采集图像，进行成像分析，评估介质微球分辨能力；
其中，为了实现对介质微球的操控，激光经过扩束、准直，与物镜入瞳匹配，最终在物镜焦平面上形成强聚焦光场分布，实现对介质微球的独立操控，以获得最佳成像效果。
在光与粒子相互作用过程中，主要包括沿光传播方向的散射力和光强梯度方向的梯度力，能否实现操控的关键在于，光束提供的轴向梯度力能否克服把粒子推离焦点区域的散射力。操控效果与光场分布、入射光能量、介质微球直径、折射率，浸没介质折射率等多种因素有关。可使用的介质微球包括折射率为1.46的二氧化硅微球、折射率为1.59的PS微球、折射率为1.9的钛酸钡微球、折射率为2.2的二氧化钛微球。由于操控对象为直径几微米到几十微米的介质微球，将聚焦光束与介质微球的相互作用看成电磁散射过程，通过求解麦克斯韦方程组得到介质微球周围散射场分布，再根据动量守恒得到光场作用在介质微球上的辐射力。具体实施过程中，利用T矩阵方法进行计算。在球坐标系中，利用Derby积分，经物镜聚焦后焦点附近的光场可以表示为一系列平面波的叠加。
其中，k和f分别表示介质微球周围介质中的波数与物镜的焦距，α是由物镜决定的光线最大角度，R是介质微球所处空间位置，r是观察位置，单位矢量
代表某个平面波分量的波矢，其中(θ,φ)为极角和方位角。l(θ)表示物镜入瞳光束振幅分布。a积分路径终点值，E(r)光场分布，sin(θ)是正弦三角函数，cos(θ)是余弦三角函数，dφdθ表示积分元，π是圆周率。
表示单位角度矢量。
为计算方便，将入射场E(r)与散射场Es(r)展开为一系列球矢量波函数的形式，如下：
其中，m,n表示不同类别球面波矢，利用上标1,3代表球面波矢类别，a，b，c，d为展开系数，由等式(1)确定。过程如下：
对于等式(1)中表示的每一个平面波成分，具有以下关系：
其中，
其中，k表示介质微球周围介质中的波数，α是由物镜决定的光线最大角度，r是观察位置，单位矢量
代表某个平面波分量的波矢，其中(θ,φ)为极角和方位角。l(θ)表示物镜入瞳光束振幅分布。m,n表示不同类别球面波矢。
和
是与Legendre函数相关的函数。
将等式(3)带入等式(6)可以得到入射场的展开系数：
其中，k表示介质微球周围介质中的波数，其中(θ,φ)为极角和方位角。l(θ)表示物镜入瞳光束振幅分布。
和
是与Legendre函数相关的函数。[ρ0,φ0,z0]是R的柱坐标，Jm(x)是m阶柱贝塞尔函数。
而根据T矩阵方法原理，散射场的展开系数与入射场展开吸入之间的关系可以表示为：
其中，[T]由介质微球决定的T矩阵。此时，入射场与散射场的展开系数已确定，由此可确定入射场合散射场，在此情况下，根据Maxwell应力张量积分可获得聚焦光束施加于粒子的作用力：
其中，S为包含粒子的任意闭合曲面。
通过建立光与介质微球相互作用模型，在此基础上，带入入射光场分布、介质微球折射率、介质微球直径、物镜数值孔径、浸没介质折射率等参数，并分析各影响因素对操控效果的影响，利用单光镊有效实现介质微球的独立操控，获得最佳成像质量。
因此，通过单光镊技术，实现一种基于单光镊介质微球高分辨的光学检测方法。
本发明中，主要的器件包括：激光器，两个双凸透镜，二向色镜，显微物镜，介质微球，浸没液体，待测物体，LED白光光源，两个Tube镜,分光镜，滤光镜，探测器CCD，样品池，压电陶瓷。LED白光光源为测量系统提供照明光源。双凸透镜2和3构成望远系统，激光器1发出的激光经过第一双凸透镜2和第二双凸透镜3调整光束尺寸，由二向色镜4反射进入显微物镜5后瞳，强聚焦形成光势阱捕获单个介质微球6，并灵活控制其位置对待测样品8成像。LED白光光源11发出光由第一Tube镜12准直，由分光镜13反射，透过二向色镜4进入显微物镜5对样品进行照明。探测器CCD16位于第二Tube镜15的焦面，用于采集图像，滤光镜14用于滤除杂散光。压电陶瓷10用于待测物体位置，待测样品8位于显微物镜5的焦面。
一种基于单光镊介质微球高分辨光学检测方法，可快速实现表面测量，在白光照明情况下，分辨率可达220nm。当然，在本例中，对于显微镜数值孔径及激光功率要求严格，对测量环境要求也需不断提升，才能不断提高最终测量精度。
Claims (4)
1.一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，其特征在于：所述方法包括步骤为：
步骤S1：在操控光路中，准直扩束后的激光束后经物镜聚焦形成单个光势阱，从而捕获单个介质微球，操控并移动介质微球获得最佳成像效果；
步骤S2：在照明光路中，白光光源经过准直后，经过显微镜，再经过介质微球，对样品进行照明；
步骤S3：利用CCD采集图像，进行成像分析，评估介质微球分辨能力得到高分辨率图像；
根据光镊原理，强聚焦的单个光势阱可捕获介质微球，灵活改变其空间位置，获得最佳成像效果；可使用的介质微球包括折射率为1.46的二氧化硅微球、折射率为1.59的PS微球、折射率为1.9的钛酸钡微球、折射率为2.2的二氧化钛微球；
利用白光照明光源进行照明，得到图像最清晰时即为调焦准确的位置；
其中，为了实现对介质微球的操控，激光经过扩束、准直，与物镜入瞳匹配，最终在物镜焦平面上形成强聚焦光场分布，实现对介质微球的独立操控，以获得最佳成像效果；
由于操控对象为直径几微米到几十微米的介质微球，将聚焦光束与介质微球的相互作用看成电磁散射过程，通过求解麦克斯韦方程组得到介质微球周围散射场分布，再根据动量守恒得到光场作用在介质微球上的辐射力，具体实施过程中，利用T矩阵方法进行计算，在球坐标系中，利用Derby积分，经物镜聚焦后焦点附近的光场可以表示为一系列平面波的叠加，
其中，k和f分别表示介质微球周围介质中的波数与物镜的焦距，α是由物镜决定的光线最大角度，R是介质微球所处空间位置，r是观察位置，单位矢量
代表某个平面波分量的波矢，其中(θ,φ)为极角和方位角；l(θ)表示物镜入瞳光束振幅分布，a积分路径终点值，E(r)光场分布，sin(θ)是正弦三角函数，cos(θ)是余弦三角函数，dφdθ表示积分元，π是圆周率；
表示单位角度矢量；
为计算方便，将入射场E(r)与散射场Es(r)展开为一系列球矢量波函数的形式，如下：
其中，m,n表示不同类别球面波矢，利用上标1,3代表球面波矢类别，a，b，c，d为展开系数，由等式(1)确定，过程如下：
对于等式(1)中表示的每一个平面波成分，具有以下关系：
其中，
其中，k表示介质微球周围介质中的波数，α是由物镜决定的光线最大角度，r是观察位置，单位矢量
代表某个平面波分量的波矢，其中(θ,φ)为极角和方位角，l(θ)表示物镜入瞳光束振幅分布；m,n表示不同类别球面波矢，
和
是与Legendre函数相关的函数；
将等式(3)带入等式(6)可以得到入射场的展开系数：
其中，k表示介质微球周围介质中的波数，其中(θ,φ)为极角和方位角，l(θ)表示物镜入瞳光束振幅分布，
和
是与Legendre函数相关的函数，[ρ0,φ0,z0]是R的柱坐标，Jm(x)是m阶柱贝塞尔函数；
而根据T矩阵方法原理，散射场的展开系数与入射场展开吸入之间的关系可以表示为：
其中，[T]由介质微球决定的T矩阵，此时，入射场与散射场的展开系数已确定，由此可确定入射场合散射场，在此情况下，根据Maxwell应力张量积分可获得聚焦光束施加于粒子的作用力：
其中，S为包含粒子的任意闭合曲面；
通过建立光与介质微球相互作用模型，在此基础上，带入入射光场分布、介质微球折射率、介质微球直径、物镜数值孔径、浸没介质折射率参数，并分析各影响因素对操控效果的影响，利用单光镊有效实现介质微球的独立操控，获得最佳成像质量。
2.根据权利要求1所述的一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，其特征在于：介质微球可以收集物体更多的高频信息，从而增强成像分辨率。
3.根据权利要求1所述的一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，其特征在于：所有光路均共用同一高倍率显微镜，便于实现介质微球操控，为提高介质微球成像分辨力，采用浸没式测量方式，将介质微球以及待测结构均置于浸没液中进行测量。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，其特征在于：采用单光镊技术操控介质微球，获得最佳成像质量，利用白光照明光源进行照明，得到图像最清晰时即为调焦准确的位置，CCD采集图像，并进行成像分析，实现高分辨率成像；该方法能够在远场区域，通过面成像方式，实现特征尺寸220nm的微纳结构测量，具有高分辨力、并行、快速测量优点。
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