CN104482881A - 激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密成像测试技术领域，涉及一种激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法与装置。本发明的核心思想是将激光差动共焦探测技术和激光受激发射损耗成像技术有机融合，通过激光差动共焦技术提高轴向分辨能力，通过受激发射损耗显微技术改善横向分辨能力，继而提高***的空间分辨力。该装置包括激发激光***、第一双色镜、四分之一波片、物镜、样品、扫描工作台、淬灭激光***、光束整形***、第二双色镜、差动共焦探测***及数据处理***。本发明具有高空间分辨的三维超分辨成像与检测能力，在微纳米技术领域具有广泛的应用前景。

Description

激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密成像测试技术领域，涉及一种激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法与装置，可用于微纳米技术领域纳米级几何参数的三维超分辨成像与检测。

技术背景

共焦显微术由于具有独特的纵向层析成像能力，以及便于与超分辨技术相结合的优势，使得其在高分辨光学显微探测领域中独树一帜，在纳米级成像与检测中发挥着极其重要的作用。

目前，在改善共焦显微成像分辨力的研究方面，出现了差动共焦显微术、双轴共焦显微术、共焦干涉显微术、4π共焦显微术和受激发射损耗显微镜(Stimulated Emission Depletion Microscopy，STED)等。但这些方法存在诸多局限和不足，如：差动共焦显微术的轴向分辨力可达纳米量级，但其横向分辨力较共焦显微术没有任何改善；双轴共焦显微术的轴向分辨力有所提高，但是以牺牲了一部分横向分辨能力为代价的，其空间分辨力改善不明显；4π共焦显微法仅改善了轴向分辨能力，对横向分辨力的改善没有贡献；双光束共焦自干涉显微法的横向分辨力相对普通共焦显微术的横向分辨力改善了38％，对轴向分辨能力和层析能力毫无改善；STED显微成像技术使共焦显微成像的横向分辨能力改善了10余倍，但其主要集中在横向分辨力的改善方面。

上述各测量原理及方法的局限，迫使人们在传统的光学测量原理基础上利用新方法、新技术来突破衍射极限，实现光学远场三维超分辨(高空间分辨)成像检测。

近年来，国、内外在实现共焦显微的三维成像研究方面发展迅速，例如，中国发明专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使***轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗干扰能力，中国发明专利“超分辨激光偏振差动共焦成像方法与装置”(专利号：200410006359.6)，其提出通过径向偏振光与光瞳滤波技术相结合，改善横向分辨力；通过轴向偏置的双探测器***差动相减探测技术，改善轴向分辨力，继而显著改善***空间分辨力和层析成像能力，其同样使***轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗干扰能力。遗憾的是，专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”和“超分辨激光偏振差动共焦成像方法与装置”尽管使轴向分辨力达到纳米量级，但其横向分辨力只能突破经典衍射横向分辨力30％左右，限制了其在高横向分辨力要求领域的应用。

基于此，本发明提出另一种全新的激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法，其通过激光差动共焦技术提高轴向分辨能力，通过受激发射损耗显微技术改善横向分辨能力，继而达到空间分辨力的大幅改善。

发明内容

本发明的目的是为了突破光学衍射极限，提出激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法与装置，以期为纳米成像检测领域空间分辨能力的改善提供全新的技术途径。本发明通过轴向偏置的双探测器***差动相减探测技术，显著改善轴向分辨力，通过受激发射损耗显微技术改善横向分辨能力，继而大幅改善共焦显微***的空间分辨能力和层析成像能力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法，包括以下步骤：

1.激发激光***发出的波长为λ₁的平行光束经第一双色镜反射，再透过第二双色镜和四分之一波片并经物镜聚焦在被测样品表面，被测样品反射的带有样品信息的光(或激发的荧光)透过物镜、四分之一波片、第二双色镜和第一双色镜，进入差动共焦***并被分光镜分成两束；差动共焦***中第一针孔和第一探测器置于第一聚光镜焦前位置+M处，第二针孔和第二探测器置于第二聚光镜焦后位置-M处，距离M对应的光学归一化位移为u_M，轴向和横向归一化坐标分别为u和v；

2.对被测样品进行轴向扫描定焦，第一探测器和第二探测器分别测得反映被测样品表面形貌信息的强度响应信号I₁(v,u,+u_M)和I₂(v,u,-u_M)，并经数据处理***相减得到差动响应F(v,u,u_M)的曲线；

3.轴向移动被测样品，使被测样品处于激光差动共焦特性曲线零点附近对应的聚焦焦斑；此时，淬灭激光***发出的波长为λ₂的平行光束经光束整形***整形为环形光束，该环形光束经第二双色镜反射，再透过四分之一波片和物镜聚焦在焦点附近，生成环形光斑；

4.利用波长为λ₂的聚焦环形光斑对波长为λ₁的测量***的光斑进行淬灭，进而得到光斑尺寸与环形光斑中空尺寸对应的尺寸极小的淬灭聚焦光斑。

5.利用淬灭聚焦光斑发出的带有样品信息的光束进行轴向差动共焦探测得到差动响应F(v,u,u_M)，即可重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度。

本发明提供了一种激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像与装置，包括激发激光***、第一双色镜、四分之一波片、物镜、样品、扫描工作台、淬灭激光***、光束整形***、第二双色镜、差动共焦探测***及数据处理***；其中第一双色镜放置在激发激光光束产生***出射方向，光束整形***、第二双色镜放置在淬灭激光***出射方向，第二双色镜、四分之一波片、物镜、样品、扫描工作台依次放置在第一双色镜反射方向，差动共焦探测***位于第一双色镜和第二双色镜的透射光方向，数据处理***与差动共焦探测***连接，用于处理差动共焦探测***采集到的数据；差动共焦探测***包括分光镜，依次放置在分光镜的透射光方向的第一聚光镜、第一针孔、第一探测器和依次放置在分光镜的反射光方向的第二聚光镜、第二针孔、第二探测器，第一探测器置于第一聚光镜焦前，第二探测器置于第二聚光镜焦后，第一聚光镜与第二聚光镜焦距相等，两探测器关于聚光镜焦点位置对称，离焦量大小相同方向相反。

本发明的装置中，淬灭激光***可以是连续光源，也可以是脉冲光源。

本发明的装置中，光束整形***可以是环形光整形***，例如环形光瞳滤波器、圆环形位相分布的二元光学衍射器件等，将淬灭激光束整形成环形光束；也可以是位相调制***，如位相片、微透镜阵列或液晶空间光调制器等，将淬灭激光束聚焦成环形光斑。

本发明的装置中，数据处理***包括差动相减模块，用于处理位置信息，完成样品三维重构。

本发明所述的测量装置，包括主控计算机和机电控制装置；主控计算机通过探测器获取差动共焦响应信号，通过控制机电控制装置来调节样品的位置，实现样品的三维扫描移动。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1.一种激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法；将激光受激发射损耗显微技术与差动共焦技术有机融合，利用受激发射损耗显微技术显著改善横向分辨力，利用差动共焦技术显著改善轴向分辨力，从而达到提高共焦显微***空间分辨力的目的；

2.通过设计光束整形***，可控制环形光斑的尺寸，根据样品测试需求控制***横向分辨率。

3.利用差动共焦***轴向响应曲线的过零点与焦点位置精确对应这一特性，通过零点触发来精确捕获激发光斑焦点位置的样品信息，实现高空间分辨的探测；

4.利用差动共焦响应曲线线性区域对应不同聚焦光斑尺寸的特性，对聚焦光斑位置进行精确调控，进而控制测量聚焦光斑的尺寸，便于对不同测试需求的样品进行测试与分析，即实现测量聚焦光斑尺寸可调。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.受激发射损耗显微技术与差动共焦技术的有机融合，可显著改善差动共焦显微成像***的横向分辨力；

2.差动工作方式显著改善了受激发射损耗显微***轴向响应特性的线性，使焦点处对应的轴向响应特性曲线线性最佳、灵敏度最高，可显著改善受激发射损耗显微***的轴向成像能力；

3.差动探测方式可有效抑制共模噪声，提高探测信号的信噪比，显著改善***抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法示意图；

图2为本发明采用环形光束整形***的受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法示意图；

图3为本发明受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像装置实施例示意图；

图4为本发明采用位相调制***的受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法与装置实施例示意图；

其中：1-激发激光***、2-第一双色镜、3-第二双色镜、4-四分之一波片、5-物镜、6-被测样品、7-淬灭激光***、8-光束整形***、9-差动共焦探测***、10-聚焦焦斑、11-差动共焦曲线、12-分光镜、13-第一聚光镜、14-第一针孔、15-第一探测器、16-第二聚光镜、17-第二针孔、18-第二探测器、19-数据处理***、20-环形光斑、21-淬灭聚焦光斑、22-环形光束整形***、23-环形光束、24-位相调制***、25-扫描工作台、26-主控计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明将激光受激发射损耗显微技术与差动共焦技术相融合，其基本思想是：利用激光受激发射损耗显微技术压缩聚焦焦斑，改善横向分辨力；利用轴向偏置的双探测***差动相减探测技术，改善轴向分辨力，改善了共焦显微***空间分辨力和层析成像能力。

实施例1

如图1所示，激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法，其测试步骤如下：

首先，从激发激光***1发出的波长为λ₁的平行光束经第一双色镜2反射后，透过第二双色镜3和四分之一波片4并经物镜5聚焦在被测样品6表面，被测样品6反射的带有样品信息的光(或激发的荧光)再次透过物镜5、四分之一波片4、第二双色镜3和第一双色镜2，进入差动共焦探测***9；差动共焦探测***中第一针孔14和第一探测器15置于第一聚光镜13焦前位置+M处，第二针孔17和第二探测器18置于第一聚光镜16焦后位置-M处，距离M对应的光学归一化位移为u_M，轴向和横向归一化坐标分别为u和v；

然后，对被测样品6进行轴向扫描定焦，第一探测器15和第二探测器18分别测得反映被测样品表面形貌信息的强度响应信号I₁(v,u,+u_M)和I₂(v,u,-u_M)，并经数据处理***19得到差动响应F(v,u,u_M)的差动共焦曲线11；

再次对被测样品6进行轴向扫描，使被测样品6处于激光差动共焦曲线11零点附近，对应聚焦焦斑10；此时，从淬灭激光***7发出的波长为λ₂的平行光束经光束整形***8对光束进行调制(整形为环形光束或相位调制光束)，调制后光束经第二双色镜3反射后透过四分之一波片4，经物镜5聚焦为环形光斑20；

而后，利用波长为λ₂的环形光斑20对波长为λ₁的测量***的聚焦焦斑10进行淬灭，得到光斑尺寸与环形光斑20中空尺寸对应的尺寸极小的淬灭聚焦光斑21。

最后，利用淬灭聚焦光斑21发出的带有样品信息的光束进行轴向差动共焦探测得到差动响应F(v,u,u_M)，即可重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度。

实施例2

如图2所示，环形光束整形***22可以是环形光瞳滤波器、圆环形位相分布的二元光学衍射器件等，将淬灭激光束整形成环形光束23。其余测量方法与实施例1相同。

实施例3

如图3所示，激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像装置实施例示意图，其原理为：

首先，将被测样品6放置于扫描工作台25上，扫描工作台25采用宏-微结合方式，在x-y宏工作台上集成基于压电陶瓷驱动器PZT和电容传感器构成的微位移二维工作台，启动主控计算机26中的测量软件。

激发激光***1发出的平行光束经第一双色镜2反射，透过第二双色镜3和四分之一波片4后经物镜5聚焦到被测样品6表面，被测样品6反射的带有样品信息的光(或激发的荧光)透过物镜5、四分之一波片4、第二双色镜3和第一双色镜2，进入差动共焦探测***9；差动共焦探测***9中第一针孔14和第一探测器15置于第一聚光镜13焦前位置+M处，第二针孔17和第二探测器18置于第二聚光镜16焦后位置-M处，距离M对应的光学归一化位移为u_M，轴向和横向归一化坐标分别为u和v；

而后，被测样品6在扫描工作台驱动下进行轴向扫描定焦，被测样品6反射的带有样品信息的光(或激发的荧光)被差动共焦探测***9中的第一探测器15和第二探测器18接收探测，分别测得反映被测样品表面形貌信息的强度响应信号I₁(v,u,+u_M)和I₂(v,u,-u_M)，并经数据处理***19得到差动响应F(v,u,u_M)的差动共焦曲线11；

再次，轴向移动被测样品6，使被测样品6处于激光差动共焦曲线11零点附近，对应聚焦焦斑10；此时，淬灭激光***7发出的平行光束经环形光束整形***22整形为环形光束23，该环形光束经第二双色镜3反射后，透过四分之一波片4和物镜5聚焦在焦点附近，生成环形光斑20；

然后，利用环形光斑20对聚焦光斑10进行淬灭，进而得到光斑尺寸与环形光斑20中空尺寸对应的尺寸极小的淬灭聚焦光斑21。

最后，利用淬灭聚焦光斑21发出的带有样品信息的光束进行轴向差动共焦探测得到差动响应F(v,u,u_M)，即可重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度。

实施例4

如图4所示为采用位相调制***的受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法与装置实施例示意图。将实施例3中的环形光束整形***22替换为图4中的位相调制***24，即可构成采用位相调制***的受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法与装置。与实施例3不同的是，入射到物镜5的整形光束不是环形光束，经物镜5聚焦后才生成环形光斑20，然后，利用环形光斑20对聚焦光斑10进行淬灭，进而得到光斑尺寸与环形光斑20中空尺寸对应的尺寸极小的淬灭聚焦光斑21。其余测量方法与装置与实施例3相同。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像方法，其特征在于：

1)激发激光***(1)发出的波长为λ₁的激发平行光束经第一双色镜(2)反射后，透过第二双色镜(3)和四分之一波片(4)并经物镜(5)聚焦在被测样品(6)表面，被测样品(6)反射的带有样品信息的光(或激发的荧光)透过物镜(5)、四分之一波片(4)、第二双色镜(3)和第一双色镜(2)，进入差动共焦探测***(9)并被分光镜(12)分成两束；差动共焦***中第一针孔(14)和第一探测器(15)置于第一聚光镜(13)焦前位置+M处，第二针孔(17)和第二探测器(18)置于第二聚光镜(16)焦后位置-M处，距离M对应的光学归一化位移为u_M，轴向和横向归一化坐标分别为u和v；

2)对被测样品(6)进行轴向扫描定焦，第一探测器(15)和第二探测器(18)分别测得反映被测样品表面形貌信息的强度响应信号I₁(v,u,+u_M)和I₂(v,u,-u_M)，并经数据处理***19得到差动响应F(v,u,u_M)的差动共焦曲线(11)；

3)轴向移动被测样品(6)，使被测样品(6)处于激光差动共焦曲线(11)零点附近，对应聚焦焦斑(10)；此时，淬灭激光***(7)发出的波长为λ₂的平行光束经光束整形***(8)整形为环形光束，该环形光束经第二双色镜(3)反射，再透过四分之一波片(4)和物镜(5)聚焦在焦点附近为环形光斑(20)；

4)利用波长为λ₂的环形光斑(20)对波长为λ₁的测量***的聚焦焦斑(10)进行淬灭，进而得到光斑尺寸与环形光斑(20)中空尺寸对应的尺寸极小的淬灭聚焦光斑(21)。

5)利用淬灭聚焦光斑(21)发出的带有样品信息的光束进行轴向差动共焦探测得到差动响应F(v,u,u_M)，即可重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度。

2.一种激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像装置，包括激发激光***(1)、扫描工作台(25)、淬灭激光***(7)、光束整形***(8)、差动共焦探测***(9)及数据处理***(19)，其特征在于：还包括第一双色镜(2)、第二双色镜(3)、四分之一波片(4)、物镜(5)；其中第一双色镜(2)放置在激发激光***(1)出射方向，光束整形***(8)、第二双色镜(3)放置在淬灭激光***(7)出射方向，第二双色镜(3)、四分之一波片(4)、物镜(5)、被测样品(6)、扫描工作台(25)依次放置在第一双色镜(2)反射方向，差动共焦探测***(9)位于第一双色镜(2)和第二双色镜(3)的透射光方向，数据处理***(19)与差动共焦探测***(9)连接，用于处理差动共焦探测***(9)采集到的数据；差动共焦探测***(9)包括分光镜(12)，依次放置在分光镜(12)透射光方向的第一聚光镜(13)、第一针孔(14)、第一探测器(15)和依次放置在分光镜(12)反射光方向的第二聚光镜(16)、第二针孔(17)、第二探测器(18)，第一探测器(15)置于第一聚光镜(13)焦前，第二探测器(18)置于第二聚光镜(16)焦后，第一聚光镜(13)与第二聚光镜(18)焦距相等，两探测器关于聚光镜焦点位置对称，离焦量大小相同方向相反。

3.根据权利要求2所述的激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像装置，其特征在于：淬灭激光***可以是连续光源，也可以是脉冲光源。

4.根据权利要求2所述的激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像装置，其特征在于：光束整形***(8)是环形光整形***，将淬灭激光束整形成环形激光束；或是位相调制***，将淬灭激光束聚焦成环形焦斑。

5.根据权利要求4所述的激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像装置，其特征在于：所述环形光整形***包括环形光瞳滤波器、圆环形位相分布的二元光学衍射器件。

6.根据权利要求4所述的激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像装置，其特征在于：所述位相调制***包括位相片、微透镜阵列或液晶空间光调制器。

7.根据权利要求2所述的激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像装置，其特征在于：数据处理***(19)包括差动相减模块，用于处理位置信息，完成样品三维重构。

8.根据权利要求2所述的激光受激发射损耗三维超分辨差动共焦成像装置，其特征在于：还包括主控计算机(26)和机电控制装置；主控计算机通过探测器获取差动共焦响应信号，通过控制机电控制装置来调节样品的位置，实现样品的三维扫描移动。