CN111103062B - 一种基于单光子计数二维成像的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米成像领域，为了解决了对纳米光纤大小器件实现成像的问题，公开了一种利用单光子计数二维成像的装置，包括真空气室、非球面镜、激光器、位移平台、准直装置、高速扫描振镜、耦合器、单光子计数器、数据采集卡和计算单元；激光器发出的激光经单模光纤传入真空气室内的待测纳米光纤后发生散射，非球面镜收集的散射光信号经第一、第二45度反射镜、准直装置和高速扫描振镜后，经耦合器入射至单光子计数器，数据采集卡用于采集单光子计数器进行光电转化后得到的电信号并发送至计算单元。本发明利用单光子计数获得光纤二维成像，成像精度高，图像还原性好，可广泛适用于对百纳米大小光传输介质的二维成像领域。

Description

一种基于单光子计数二维成像的装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米成像领域，具体涉及一种基于单光子计数二维成像的装置及方法。

背景技术

目前，对纳米材料的检测手段和表征方法有透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等技术。例如高分辨率的扫描电子显微镜能够对晶粒尺寸为20nm的钛酸钡陶瓷扫描成像。但是高分辨率的扫描电子显微镜只能得到纳米级别材料的形貌观察或者进行尺寸检测，不能无损的得到较大尺寸物体的整体结构信息。另外发展起来的荧光成像系统，虽然能够实现几十纳米的空间分辨率，但由于物体的自体荧光现象和激发光信号的残留造成较大背景噪声，严重影响信号的采集和定量分析，对成像质量造成一定影响。

本专利发明的一种基于单光子计数二维成像的装置及方法，不仅可以实现对纳米材料的外貌观察，还可以通过对聚焦点的移动实现图像的层析，建立起一系列不同高度上的高分辨率光学断层图像，配合计算机图像处理技术的使用，便可实现细微结构的三维成像。本发明采用单模激光器实现了衍射极限尺度，达到1um的精度分辨率，扫描电机控制精度是29nm。根据衍射极限定理，用更短波长的激光器和更高数值孔径的非球面透镜将得到更高的成像精度，可以实现几百纳米精度的分辨。同时，选择具有更高扫描精度的高速扫描振镜和更高探测效率的单光子探测器都能够提高扫描成像系统整体的精度。

发明内容

为了解决现有普通成像装置中分辨率低和无法实现量子层析的问题，本发明提供了一种高精度和高分辨率的基于单光子计数二维成像的装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于单光子计数二维成像的装置，包括真空气室、非球面镜、激光器、位移平台、准直装置、高速扫描振镜、耦合器、单光子计数器、数据采集卡和计算单元；

所述真空气室的一侧面镀有减反射膜，所述真空气室用于放置待测纳米光纤，所述激光器发出的激光经单模光纤传入待测纳米光纤；所述非球面镜设置在真空气室内，用于收集待测纳米光纤散射出来的光信号；所述位移平台上设置有第一45度反射镜和第二45度反射镜，所述非球面镜收集的散射光信号经第一45度反射镜和第二45度反射镜反射，以及所述准直装置准直后入射到高速扫描振镜，所述高速扫描振镜反射的散射光信号经所述耦合器入射至所述单光子计数器，所述数据采集卡用于采集单光子计数器进行光电转化后得到的电信号并发送至所述计算单元；

所述高速扫描振镜的镜片由伺服电机驱动沿X轴方向和Y轴方向旋转，以实现对纳米光纤的二维扫描；所述位移平台用于驱动所述第一45度反射镜和第二45度反射镜沿Z轴方向移动，以使所述高速扫描振镜对待测纳米光纤的不同层面进行二维扫描；

所述X轴方向为垂直于装置所在平面的直线的方向，所述Y方向为待测纳米光纤所在直线的方向，所述Z方向为所述非球面镜收集的散射光信号传播的方向。

所述准直装置包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述非球面镜收集的散射光信号依次经第一45度反射镜和第二45度反射镜反射，以及所述第一准直透镜和第二准直透镜后入射到高速扫描振镜。

所述激光器采用FPV852s型单模激光器；非球面透镜采用AL1512-B型非球面透镜；第一45度反射镜和第二45度反射镜采用750-1100nm的BBSQ2-E03型平面反射镜；位移平台采用PT3-Z8型三轴位移台；高速扫描振镜采用GVS012型双轴振镜系统；光纤耦合器采用832-867nm的TC12FC-850型三合透镜组；单光子计数器采用EXCELITAS公司生产的SPCM-AQRH-1X型单光子计数器，第一准直透镜和第二准直透镜采用型号为LB1391-B和LB1945-B型双凸透镜。

本发明还提供了一种基于单光子计数二维成像装置的成像方法，包括以下步骤：

S1、将待测纳米光纤放入所述真空气室中；

S2、通过伺服电机驱动所述高速扫描振镜，实现对待测纳米光纤的二维扫描；

S3、通过单光子计数器接收高速扫描振镜扫描得到的单光子信号，并通过数据采集卡采集数据后发送至计算机，利用计算机计算得到纳米光纤二维扫描图像。

所述步骤S2中，实现对待测纳米光纤的二维扫描的具体方法为：

固定位移平台的位置，通过伺服电机驱动所述高速扫描振镜，使其在某一Y值处沿X方向单程扫描获得m个数据，然后改变Y值，同样使所述高速扫描振镜沿X方向单程扫描获得m个数据，如此往复获得m*n个数据；

所述步骤S3中，计算机计算得到纳米光纤二维扫描图像的方法为：

将所述m*n个数据排成n行m列的数组，每一行表示在某一Y值处沿X方向扫描的数据，利用绘图函数绘制这个数组图像，图像颜色由每一个数据点决定，并设置颜色区分，以得到光纤二维扫描图像；同时，通过记录单程扫描速度和时间得到扫描的距离，进而计算得到图像在X方向上的轮廓宽度。

所述的一种基于单光子计数二维成像装置的成像方法，还包括以下步骤：

S4、调节所述位移平台，使所述第一45度反射镜和第二45度反射镜沿所述非球面镜收集的散射光信号传播的方向移动；然后重复步骤S2和步骤S3，得到不同Z层面下的纳米光纤二维扫描图像；

S5、将具有最大轮廓宽度的二维扫描图作为光纤二维成像图。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明采用由石英制成的长方体或正方体玻璃真空气室，并在玻璃真空气室的外表面上镀一层与被测光波长相同的减反射膜，这使得光介入更加方便，使得对物体的扫描探测更加稳定，不易受外界环境干扰，同时实现了对聚焦点在纳米尺度内的有效控制，分辨率在1μm左右。

（2）本发明所述的方法实现了对纳米光纤的成像，不仅探测得到光纤中散射的光信号，而且同时得到纳米光纤的二维扫描成像；利用对散射光的收集范围占整个4π立体空间的2.1%的透镜组，实现强聚焦和对极弱信号的有效探测。

（3）采用振镜扫描系统收集被测物体上某一聚焦点处的散射光，非球面镜形成的聚焦点位于被测物体上，可以逐点进行扫描,直至全部成像完成，可以通过软件来控制变焦过程，电控精度达到29nm，信号采集精度显著高，且扫描图像的信息还原性更好。

（4）本发明所述的方法利用单光子计数二维扫描成像，成像分辨率由衍射极限确定，采用更短波长的激光可以实现几百纳米的分辨率，解决了对微小物体成像分辨率低并无法精确成像的问题，可广泛适用于对纳米光纤或类似大小器件二维成像。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于单光子计数二维成像的装置的结构示意图；其中：实线为光纤连接，虚线为光连接；

图2是本发明实施例中高速扫描振镜沿Y轴方向扫描时通过单光子计数器计数统计获得的散射光信号图；

图3是本发明实施例中高速扫描振镜沿X轴方向扫描时通过单光子计数器计数统计得到的散射光信号图；

图4是本发明实施例中高速扫描振镜处在X轴的不同位置时沿Y轴扫描通过计数器计数统计聚焦点沿光纤方向扫描获得的散射光信号图；

图5是本发明得到的扫描轮廓宽度变化图；

图6是本发明得到的透镜扫描成像图；

图中：1-真空气室；2-纳米光纤；3-852nm单频固体激光器；4-非球面透镜；5-45度全返镜；6-45度反射全返镜；7-XYZ三维平移台；8-f=400凸透镜；9-f=200透镜组；10-高速扫描振镜；11-45度反射镜； 12-45度反射镜；131-光纤耦合器；142 -单光子计数器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于单光子计数二维成像的装置，包括真空气室1、非球面镜4、激光器3、位移平台7、准直装置、高速扫描振镜10、耦合器11、单光子计数器12、数据采集卡和计算单元（图中未示出）。

所述真空气室1的一侧面镀有减反射膜，所述真空气室1用于放置待测纳米光纤2，所述激光器3发出的激光经单模光纤传入待测纳米光纤2；所述非球面镜4设置在真空气室1内，用于收集待测纳米光纤2散射出来的光信号；所述位移平台7上设置有第一45度反射镜5和第二45度反射镜6，所述非球面镜4收集的散射光信号经第一45度反射镜5和第二45度反射镜6反射，以及所述准直装置准直后入射到高速扫描振镜10，所述高速扫描振镜10反射的散射光信号经所述耦合器11入射至所述单光子计数器12，所述数据采集卡用于采集单光子计数器12进行光电转化后得到的电信号并发送至所述计算单元；所述高速扫描振镜10的镜片由伺服电机驱动沿X轴方向和Y轴方向旋转，以实现对纳米光纤2的二维扫描；所述位移平台7用于驱动所述第一45度反射镜5和第二45度反射镜6沿Z轴方向移动，以使所述高速扫描10振镜对待测纳米光纤2的不同层面进行二维扫描；所述X轴方向为垂直于装置所在平面的直线的方向，所述Y方向为待测纳米光纤所在直线的方向，所述Z方向为所述非球面镜4收集的散射光信号传播的方向。

具体地，如图1所示，本实施例中，所述准直装置包括第一准直透镜8和第二准直透镜9，所述非球面镜4收集的散射光信号依次经第一45度反射镜5和第二45度反射镜6反射，以及所述第一准直透镜8和第二准直透镜9后入射到高速扫描振镜10。

具体地，本实施例中，所述激光器3采用中心波长为852nm的FPV852s型单模激光器，其输出光通过单模光纤传入待测纳米光纤2中；非球面透镜4采用650-1050nm的AL1512-B型非球面透镜，数值孔径0.54、有效焦距20mm，选择较高的数值孔径具有较强的聚光能力，并能减小球面像差；两个45度反射镜5和6采用750-1100nm的BBSQ2-E03型平面反射镜；位移平台7采用PT3-Z8型三轴位移台，在Z方向移动控制聚焦点的位置，使振镜可以对物体不同层面进行二维扫描，最小步进尺寸为50nm；准直透镜8和9分别采用650-1050nm的LB1391-B和LB1945-B型双凸透镜；高速扫描振镜 10采用GVS012型双轴振镜系统，电控精度29nm,分辨率为15urad，最大扫描角度为 20度；光纤耦合器131采用832-867nm的TC12FC-850型三合透镜组，数值孔径0.28、焦距12mm；单光子计数器142采用EXCELITAS公司生产的400-1060nm的SPCM-AQRH-1X型单光子计数器，死区时间22ns，暗计数1500counts/second典型工作电流0.4A，工作温度5-70°C。

本实施例中，由高速扫描振镜扫描获得的散射光信号进入三合透镜耦合器中，三合透镜耦合器将光信号耦合进光纤，光纤与有效波长范围400~1060nm的单光子计数器相连，由数据采集卡收集并记录光信号，经过电脑系统处理采集的数据生成纳米光纤二维扫描图像。

如图2所示，为本发明实施例中高速扫描振镜沿Y轴方向扫描时通过单光子计数器计数统计获得的散射光信号图；如图3所示，是本发明实施例中高速扫描振镜沿X轴方向扫描时通过单光子计数器计数统计得到的散射光信号图；如图4所示，是本发明实施例中高速扫描振镜处在X轴的不同位置时通过计数器计数统计聚焦点沿光纤方向扫描获得的散射光信号图图4中，由上至下分别为高速扫描振镜在X轴方向坐标为17.5μm，15μm，12.5μm ，10μm，8.75μm，5.0μm，2.5μm和0时通过单光子计数器计数统计得到的散射光信号图，应注意的是，图中为了区分，将各个信号的基底进行了不同程度的抬高，实际上，计数统计数据线的基底均约为0，此外，图4中对应的Z轴聚焦点位置坐标为19.23mm。

图5是本发明实施例得到的扫描轮廓宽度变化图；图5为位移平台7处于不同Z位置时，得到的扫描剖面宽度值，其中，剖面宽度值为由光脉冲宽度（扫描光纤时间）乘以扫描速度得到。

图6是本发明实施例得到的透镜扫描成像图，该成像图为通过单光子计数器得到的扫描数据进行数据处理后得到。

此外，本发明实施例还提供一种基于单光子计数二维成像方法，包括以下步骤：

S1、将待测纳米光纤2放入所述真空气室1中；

S2、通过伺服电机驱动所述高速扫描振镜10，实现对待测纳米光纤2的二维扫描；

S3、通过单光子计数器接收高速扫描振镜10扫描得到的单光子信号，并通过数据采集卡采集数据后发送至计算机，利用计算机计算得到纳米光纤二维扫描图像。

计算机计算得到纳米光纤二维扫描图像的方法为：在某一层面进行扫描时，如在某一Y值处沿X方向单程扫描获得m个数据，然后在另一Y值处沿X扫描获得m个数据，如此往复取n个不同的Y值处沿X方向扫描获得m*n个数据。利用软件中的循环程序将这组数据排成n行m列的数组，每一行表示在某一Y值处沿X方向扫描的数据。最后利用绘图函数绘制这个数组图像（图像颜色由每一个数据点决定），并设置颜色区分。这样，由于光纤上获得的扫描光强数据明显大于周围，所以在图像上可以清楚的看到光纤的图像。同时，可以通过记录单程扫描速度和时间得到扫描的距离，这样就能在X方向上得到轮廓宽度。需要测量不同层面的光子计数统计，并分别成像。不同层面得到的二维图像轮廓宽度不同，通过对不同层面进行二维扫描，可以得到具有最大轮廓宽度的二维扫描图，即为图6呈现出来的的最终光纤扫描图像。

因此，本发明实施例提供的一种基于单光子计数二维成像方法，还包括以下步骤：

S4、调节所述位移平台7，使所述第一45度反射镜5和第二45度反射镜6沿所述非球面镜4收集的散射光信号传播的方向移动；然后重复步骤S2和步骤S3，得到不同Z层面下的纳米光纤二维扫描图像；

S5、将具有最大轮廓宽度的二维扫描图作为光纤二维成像图。

本发明利用单光子计数二维扫描成像，成像分辨率由衍射极限确定，采用更短波长的激光可以实现几百纳米的分辨率，解决了对微小物体成像分辨率低并无法精确成像的问题，可广泛适用于对纳米光纤或类似大小器件二维成像。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于单光子计数二维成像的装置，其特征在于，包括真空气室（1）、非球面镜（4）、激光器（3）、位移平台（7）、准直装置、高速扫描振镜（10）、耦合器（11）、单光子计数器（12）、数据采集卡和计算单元；

所述真空气室（1）的一侧面镀有减反射膜，所述真空气室（1）用于放置待测纳米光纤（2），所述激光器（3）发出的激光经单模光纤传入待测纳米光纤（2）；所述非球面镜（4）设置在真空气室（1）内，用于收集待测纳米光纤（2）散射出来的光信号；所述位移平台（7）上设置有第一45度反射镜（5）和第二45度反射镜（6），所述非球面镜（4）收集的散射光信号经第一45度反射镜（5）和第二45度反射镜（6）反射，以及所述准直装置准直后入射到高速扫描振镜（10），所述高速扫描振镜（10）反射的散射光信号经所述耦合器（11）入射至所述单光子计数器（12），所述数据采集卡用于采集单光子计数器（12）进行光电转化后得到的电信号并发送至所述计算单元；

所述高速扫描振镜（10）的镜片由伺服电机驱动沿X轴方向和Y轴方向旋转，以实现对纳米光纤（2）的二维扫描；所述位移平台（7）用于驱动所述第一45度反射镜（5）和第二45度反射镜（6）沿Z轴方向移动，以使所述高速扫描振镜（10）对待测纳米光纤（2）的不同层面进行二维扫描；

所述X轴方向为垂直于装置所在平面的直线的方向，所述Y轴方向为待测纳米光纤所在直线的方向，所述Z轴方向为所述非球面镜（4）收集的散射光信号传播的方向。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光子计数二维成像的装置，其特征在于，所述准直装置包括第一准直透镜（8）和第二准直透镜（9），所述非球面镜（4）收集的散射光信号依次经第一45度反射镜（5）和第二45度反射镜（6）反射，以及所述第一准直透镜（8）和第二准直透镜（9）后入射到高速扫描振镜（10）。

3.根据权利要求1所述的一种基于单光子计数二维成像的装置，其特征在于，所述激光器（3）采用FPV852s型单模激光器；非球面透镜（4）采用AL1512-B型非球面透镜；第一45度反射镜（5）和第二45度反射镜（6）采用750-1100nm的BBSQ2-E03型平面反射镜；位移平台（7）采用PT3-Z8型三轴位移台；高速扫描振镜（10）采用GVS012型双轴振镜系统；光纤耦合器（11）采用832-867nm的TC12FC-850型三合透镜组；单光子计数器（12）采用EXCELITAS公司生产的SPCM-AQRH-1X型单光子计数器，第一准直透镜（8）和第二准直透镜（9）采用型号为LB1391-B和LB1945-B型双凸透镜。

4.根据权利要求1所述一种基于单光子计数二维成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将待测纳米光纤（2）放入所述真空气室（1）中；

S2、通过伺服电机驱动所述高速扫描振镜（10），实现对待测纳米光纤（2）的二维扫描；

S3、通过单光子计数器接收高速扫描振镜（10）扫描得到的单光子信号，并通过数据采集卡采集数据后发送至计算机，利用计算机计算得到纳米光纤二维扫描图像。

5.根据权利要求4所述一种基于单光子计数二维成像装置的成像方法，其特征在于，所述步骤S2中，实现对待测纳米光纤（2）的二维扫描的具体方法为：

固定位移平台（7）的位置，通过伺服电机驱动所述高速扫描振镜（10），使其在某一Y值处沿X方向单程扫描获得m个数据，然后改变Y值，同样使所述高速扫描振镜（10）沿X方向单程扫描获得m个数据，如此往复获得m*n个数据；

所述步骤S3中，计算机计算得到纳米光纤二维扫描图像的方法为：

将所述m*n个数据排成n行m列的数组，每一行表示在某一Y值处沿X方向扫描的数据，利用绘图函数绘制这个数组图像，图像颜色由每一个数据点决定，并设置颜色区分，以得到光纤二维扫描图像；同时，通过记录单程扫描速度和时间得到扫描的距离，进而计算得到图像在X方向上的轮廓宽度。

6.根据权利要求5所述的一种基于单光子计数二维成像装置的成像方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S4、调节所述位移平台（7），使所述第一45度反射镜（5）和第二45度反射镜（6）沿所述非球面镜（4）收集的散射光信号传播的方向移动；然后重复步骤S2和步骤S3，得到不同Z层面下的纳米光纤二维扫描图像；

S5、将具有最大轮廓宽度的二维扫描图作为光纤二维成像图。

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