CN110579869A - 一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置，所述装置包括：激光器、准直扩束系统、偏振态转换系统、幅值型空间光调制器、第一分束器、扫描振镜系统、高数值孔径物镜、样品、白光光源、三维位移台、第二分束器、CCD相机、筒镜、尺寸可变共焦针孔、光电倍增管。本发明针对可能出现的旁瓣较大问题，采用改变共焦针孔尺寸的方式进行旁瓣的切趾，针孔尺寸根据实际聚焦光斑尺寸进行跟进优化，从而抑制噪声。该方法可有效提升共焦显微成像分辨率，且系统结构简单，不需要引入二元光学器件。

Description

一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置
技术领域
本发明属于光学显微测量领域，主要涉及一种用于微型器件、表面形貌和生物样品中三维微细结构测量的超精密非接触测量方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，对工业样品及生物样品进行高分辨率的成像已成为制造业和生物行业的发展不可或缺的条件。其中光学显微成像测量方法因其对样品无接触，测量精度高而广泛应用。但是传统的光学显微成像技术空间分辨率受到阿贝瑞利衍射极限的限制，空间分辨率只能达到照明波长的一半。针对这一问题，一系列超分辨光学显微成像技术被提出。其中最具代表性的包括共焦显微成像方法、受激辐射损耗荧光显微技术，结构光照明显微成像技术等。
共焦显微成像凭借着其与样品无接触的特性、较高分辨率以及独特的三维层析特性广泛应用于工业样品三维形貌测量以及生物样品的观测。但是随着超精密加工技术对测量要求的不断提升以及生物界对于更小尺度生物结构的不断探索，传统共焦显微成像的分辨率已经无法满足测量要求。如何实现工业样品表面三维形貌和生物样品结构的高分辨率快速测量是目前工业和生物领域亟待研究的重大问题。
径向偏振光因其独特的偏振特性以及优异的聚焦光斑性能已经被广泛用于共焦显微成像中的照明。径向偏振光在大数值孔径物镜聚焦下，聚焦场的轴向偏振分量的半高宽低于传统艾里斑的半高宽，若提取轴向偏振分量进行样品探测可实现分辨率的提升。利用二元光学元件进行光瞳调制，形成环形孔径照片可以抑制径向偏振光聚焦场的径向分量，提升轴向分量的比重，实现分辨率提升。但是二元光学元件设计过程复杂，对加工精度要求高。
发明内容
本发明设计了一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置，在采用径向偏振光照明的同时，对传统共焦显微成像系统的入瞳面光场分布进行幅值调制。通过在照明路径上引入幅值型空间光调制器，并由计算机控制来实现对入瞳面光场的调制。调制的函数为双曲正弦-高斯函数。通过幅值调制，可以提升聚焦场轴向偏振分量的比例，从而压缩光斑尺寸，提升共焦显微的成像分辨率。针对可能出现的旁瓣较大问题，采用改变共焦针孔尺寸的方法来进行旁瓣的切趾，从而抑制噪声。
本发明的目的是这样实现的：
一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像装置，包括：激光器、准直扩束系统、偏振态转换系统、幅值型空间光调制器、第一分束器、扫描振镜系统、高数值孔径物镜、样品、白光光源、三维位移台、第二分束器、CCD相机、筒镜、尺寸可变共焦针孔、光电倍增管；
其中：准直扩束系统放置于激光器出射端，接着连接偏振态转换系统、幅值型空间光调制器、第一分束器；在第一分束器反射端依次放置扫描振镜系统、高数值孔径物镜；样品位于高数值孔径物镜前焦面且放置于三维位移台上；第二分束器位于第一分束器相对于高数值孔径物镜的透射端；CCD相机放置于第二分束器反射端；筒镜、尺寸可变共焦针孔、光电倍增管依次放置于第二分束器透射端。
进一步地，所述的偏振态转换系统包括偏振片、径向偏振转换器。
进一步地，所述的幅值型空间光调制器可以是透射式或反射式空间光调制器。
一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法，包括下列步骤：
(1)激光器发出的线偏振激光经过整形扩束后进入偏振态转换系统变为径向偏振光；
(2)径向偏振光进入幅值型空间光调制器，通过计算机控制空间光调制器对入瞳面的光强进行幅值调制；
(3)经调制后的径向偏振光经过扫描振镜组件实现扫描探测，并由高数值孔径物镜聚焦后对样品进行点探测；
(4)携带样品信息的反射光由同一物镜收集，去扫描化后透过分束器，由筒镜成像于光电倍增管成像面，并在成像面用尺寸可变共焦针孔进行切趾。
本发明所述的幅值调制是通过计算机控制幅值空间光调制器采用双曲正弦-高斯函数来进行幅值调制，且通过优化双曲正弦-高斯函数的参数来实现最佳调制。
本发明所述的成像方法通过改变共焦针孔的尺寸大小对可能产生的旁瓣进行切趾，针孔的尺寸大小根据实际聚焦光斑大小进行跟进优化。
本发明所述的成像方法将白光光源搭配CCD使用，在获得亮场图像的同时，定位样品中的目标成像区域。
本发明的有益效果在于，由于在本发明的共焦显微成像方法中，通过在径向偏振的照明路径中引入幅值型空间光调制器，对入瞳面的光场进行了幅值调制，从而压缩了聚焦光斑。且通过优化共焦针孔尺寸，抑制了旁瓣，从而提升了共焦显微成像的对比度和分辨率。
附图说明
图1是幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置示意图。
图2是入瞳面经过双曲正弦-高斯函数幅值调制后的光场幅值分布图。
图3是本发明的横向点扩散函数与传统共焦显微成像的横向点扩散函数对比图。
图1中：1-激光器、2-准直扩束系统、3-偏振态转换系统、4-幅值型空间光调制器、5-第一分束器、6-扫描振镜系统、7-高数值孔径物镜、8-样品、9-白光光源、10三维位移台、11-第二分束器、12-CCD相机、13-筒镜、14-尺寸可变共焦针孔、15-光电倍增管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述。
本实施例的幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置示意图如图1所示。激光器1发出的线偏振激光经过准直扩束系统2整形扩束后进入偏振态转换系统3变为径向偏振光。接着光束进入透射式幅值型空间光调制器4。通过计算机控制空间光调制器对入瞳面的光强进行幅值调制。经调制后的径向偏振光由第一分束器5反射经扫描振镜系统6并由高数值孔径物镜7聚焦后对样品8进行点探测。通过三维位移台10的移动，实现三维测量。携带样品信息的反射光由同一物镜收集，去扫描化透过第一分束器5，再透过第二分束器11由筒镜13成像于光电倍增管15成像面，并在成像面用尺寸可变共焦针孔14进行切趾。白光光源9结合CCD相机12在获得亮场图像的同时，更容易定位样品中的目标成像区域。
本实施例中，双曲正弦-高斯函数的表达式如下：
其中，m、ω0为可调节参数，θ为光束汇聚角。当物镜采用数值孔径为NA＝1.4的油浸物镜，沉浸介质折射率n＝1.518，参数m＝10，ω0＝0.25，半径归一化的入瞳面的光场幅值分布如图2所示。可以看出，幅值分布呈现近似环形分布。参数n、m的选择应尽量使得幅值分布呈现环形分布，这样可以提升聚焦场中轴向偏振分量的比重从而压缩聚焦光斑提升共焦显微成像的分辨率。
本实施例中，双曲正弦-高斯函数幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置的横向点扩散函数与传统共焦显微成像的横向点扩散函数对比如图3所示。其中，共焦针孔的尺寸均为0.5个艾里斑尺寸(AU)。AU＝1.22λ/NA，λ为光源波长，NA为物镜数值孔径。可以看出本实施例的点扩散函数相比于传统共焦显微有更小的半高宽值，意味着本发明可以有效提升共焦显微的成像分辨率。此外，旁瓣几乎被压缩为0，表明通过优化共焦针孔尺寸可有效抑制旁瓣，降低成像系统的噪声。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像装置，其特征在于，所述装置包括：激光器、准直扩束系统、偏振态转换系统、幅值型空间光调制器、第一分束器、扫描振镜系统、高数值孔径物镜、样品、白光光源、三维位移台、第二分束器、CCD相机、筒镜、尺寸可变共焦针孔、光电倍增管；
其中：准直扩束系统放置于激光器出射端，接着连接偏振态转换系统、幅值型空间光调制器、第一分束器；在第一分束器反射端依次放置扫描振镜系统、高数值孔径物镜；样品位于高数值孔径物镜前焦面且放置于三维位移台上；第二分束器位于第一分束器相对于高数值孔径物镜的透射端；CCD相机放置于第二分束器反射端；筒镜、尺寸可变共焦针孔、光电倍增管依次放置于第二分束器透射端。
2.根据权利要求1所述的幅值调制径向偏振照明共焦显微成像装置，其特征在于所述的偏振态转换系统包括偏振片、径向偏振转换器。
3.根据权利要求1所述的幅值调制径向偏振照明共焦显微成像装置，其特征在于所述的幅值型空间光调制器可以是透射式或反射式空间光调制器。
4.根据权利要求1所述的幅值调制径向偏振照明共焦显微成像装置，其特征在于白光光源搭配CCD使用，在获得亮场图像的同时，定位样品中目标成像区域。
5.一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-4任一项所述的幅值调制径向偏振照明共焦显微成像装置，所述方法包括：
(1)激光器发出的线偏振激光经过整形扩束后进入偏振态转换系统变为径向偏振光；
(2)径向偏振光进入幅值型空间光调制器，通过计算机控制空间光调制器对入瞳面的光强进行幅值调制；
(3)经调制后的径向偏振光经过扫描振镜组件实现扫描探测，并由高数值孔径物镜聚焦后对样品进行点探测；
(4)携带样品信息的反射光由同一物镜收集，去扫描化后透过分束器，由筒镜成像于光电倍增管成像面，并在成像面用共焦针孔进行切趾。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过计算机控制幅值空间光调制器采用双曲正弦-高斯函数来进行幅值调制。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过优化双曲正弦-高斯函数的参数来实现最佳调制。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过改变共焦针孔的尺寸大小对旁瓣进行切趾，所述针孔的尺寸大小根据实际聚焦光斑大小进行跟进优化。
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