CN108983252A - 双光束超分辨定位***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双光束超分辨定位***，通过激发光与损耗光对荧光层的叠加作用，实现叠加作用于荧光材料后发出荧光的空间区域比仅有激发光时具有更小的特征尺寸，因而实现对该荧光材料更高空间分辨率的位置观察，使得当双光束的焦点中心正好落在荧光层时，光电探测器的响应强度达到峰值，当双光束的焦点中心偏离荧光层时，光电探测器对荧光的响应强度急剧降低，降低幅度大于仅有单束激发光时的响应情况，从而使得控制器控制移动装置对样品的位置迅速作出调整，进而实现比单束激发光时更精确的定位。本发明还提供一种双光束超分辨定位方法。

Description

双光束超分辨定位***及方法

技术领域

本发明涉及精密定位技术领域，尤其涉及双光束超分辨定位***及方法。

背景技术

目前关于短距离的定位一般采用透镜组对光束进行调制，将光束聚焦后的焦点搭载物体上，并通过探测器检测物体反射的聚焦光斑的光强的变化来获得透镜组与物体的相对位置。当透镜组与物体相对距离产生偏移时，聚焦光斑在物体上的聚焦位置发生变化，反射到探测器上的光强转化后的电信号能够有明显差距。在光电子器件中，这种毫米量级以下的定位，尤其要求非接触式定位时，激光定位是必选手段之一。例如在光盘驱动器里面，光学头对盘面进行轴向定位时，就是将激光透过一块柱面镜进行聚焦，盘面正在焦点处时，反射回四象限探测器的就是一个标准圆斑；若是离物镜较近，则会反射回一个横向的椭圆光斑；若是离物镜较远，则会反射回一个纵向的椭圆光斑。这三种状况主要是因为柱面镜能够引起盘片发射的聚焦光斑的畸变，使不同距离反馈在探测器上的能量分布不一样，通过测量探测器的电信号就可以知道当前光学头与盘片的相对距离，然后通过反馈调节相对其位置使得聚焦光的焦点正好打在盘面上。

在光学***中，激光经聚焦在焦平面上汇聚成一个点，焦点大小一般都在微米和亚微米量级，焦点再经反射***，光斑只会扩散得更大，在基于距离导致光斑畸变或者其他形式的光强变化来做定位时，因为聚焦光斑的焦平面光强分布是一个半高宽较宽的波包，探测器自身同样有探测分辨率，即距离微小变化导致的光斑光强变化不够大，探测器在高精度要求下无法识别微小距离变化。

一个理想点光源经过光学***聚焦投射到屏幕上，其光强分布为一高斯线形，依据点扩散函数计算其光强分布线形的半高宽，其半高宽在理想情况下大致等于二分之一所用光播出。聚焦后的反射光又通过透镜反回探测器上，其光强重新分散成一高斯线形。当探测器与透镜在运动时的相对距离需要保持不变，一旦透镜与物体的相对距离发生变化，这种变化会引起探测器测量的反馈信号的变化，即反射光反馈给探测器的强度分布变化。最终在探测器上的信号变化幅度与探测器上光强分布波形密切相关。一般地光强分布波形的半高宽越小，其信号变化幅度越大。

另外在探测同一平面上两个相同的点时，若两点相距大于反射光在探测器上的光强分布半高宽，则探测器可以分两次分辨出这是两个不同的点，但两点距离小于反射光在探测器上的光强分布半高宽时，两个信号叠加成了一个不可区分的波形，探测器无法区分。因为光束在探测器上的光强分布具有较大的强度分布宽度，所以传统激光形式不适合用来做纳米精度的位置探测和定位。

基于上述的分析，不考虑柱面镜参数的变动与探测器的探测精度，单纯从激光角度上说，目前限制激光在短距离做纳米精度探测的因素在于，任何光学***都存在衍射现象，这使得激光光斑尺寸无法聚焦纳米尺度，光斑中光强分布不够集中。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，提供一种双光束超分辨定位***。

本发明采用的技术方案：

一种双光束超分辨定位***，包括：

样品，其上设有荧光层，所述样品放置于移动装置上；

光束形成装置，包括光束发射器一、光束发射器二，所述光束发射器一出射的光束形成激发光，所述激发光用以辐照所述荧光层以使该荧光层中的荧光材料的性能或状态发生改变，所述光束发射器二出射的光束通过相位板调制形成损耗光，所述损耗光用以辐照所述荧光层使得所述荧光材料在所述激发光的辐照下所发生的荧光材料的性能或状态变化得到部分或全部抑制或减弱，所述激发光、损耗光中至少一个为使所述荧光层中的荧光材料出射荧光的光束；

光束整形组件，用以将所述激发光、损耗光整形聚焦后的光焦点导向所述荧光层，并激发所述荧光层中的荧光材料发射出荧光；

光电探测器，用于探测所述荧光层中的荧光材料所发出的荧光的光强；

控制器，分别与所述光电探测器、光束形成装置、移动装置相连；

所述控制器控制所述光束形成装置对所述样品出射激发光、损耗光，激发光、损耗光作用于所述样品上的荧光层，荧光层中的荧光材料发出的荧光经所述光电探测器探测光强后反馈给所述控制器，所述控制器根据光电探测器探测到的光强信息决定是否调整所述移动装置以使所述样品移动以及所述样品的移动位置幅度。

本发明的有益效果是：本发明通过激发光与损耗光对荧光层中的荧光材料的叠加作用，实现叠加作用于荧光材料后荧光材料发出荧光的空间区域比仅有激发光时具有更小的特征尺寸，从而实现对该荧光材料更高空间分辨率的位置观察，使得当光束的焦点正好落在荧光层时，光电探测器的响应强度达到峰值，当光束的焦点偏离荧光层时，光电探测器对荧光的响应强度急剧降低，从而使得控制器控制移动装置对样品的位置迅速作出调整。

本发明还提供一种双光束超分辨定位方法，步骤包括：

S1将含有荧光层的样品放置于移动装置上，所述移动装置将其位置信息发送给控制器；

S2所述控制器分别控制光束发射器一、光束发射器二发射光束，所述光束发射器一出射的光束形成激发光，用以辐照所述荧光层以使该荧光层中的荧光材料的性能或状态发生改变，所述光束发射器二出射的光束为通过相位调制形成损耗光，所述损耗光用以辐照所述荧光层使得所述荧光材料在所述激发光的辐照下所发生的荧光材料的性能或状态变化得到部分或全部抑制或减弱，所述激发光、损耗光中至少一个能使所述荧光层中的荧光材料出射荧光；

S3将所述激发光、损耗光进行整形聚焦后的光焦点导向所述荧光层，并将所述荧光层中的荧光物质受激发发出的荧光导入光电探测器，所述光电探测器探测所述荧光的光强，并将该光强信号反馈给所述控制器；

S4所述控制器根据所述光电探测器探测到的光强信息决定是否调整所述移动装置以使所述样品移动以及所述样品的移动位置幅度。

附图说明

对本发明实施例描述中所涉及的附图进行简单介绍，以便于对本发明实施例中的技术方案进行更清楚、完整的说明，下面的附图仅仅针对本发明的一些实施例，并不用以限制本发明，在不进行其他创造性劳动的前提下，显然可以根据这些附图得到其他附图。

图1为本发明提供的一种双光束超分辨定位***的结构示意图；

图2为受激辐射损耗显微原理示意图，其中(a)电子能级间跃迁简图，(b)为双光束光强示意图，(c)为激发光、损耗光及二者叠加后的光斑的平面分布示意图；

图3为基态损耗原理示意图；

图4为本发明提供的定位***在垂直方向上的定位原理示意图，其中(a)为激光光斑落于荧光层的示意图，(b)为单光束与双光束在同等位移变化下的光强变化对比图；

图5为本发明提供的定位***在水平方向上的定位原理示意图，其中(a)为双光束激光光斑落于荧光层的示意图，(b)为双光束激光光斑在样品上做水平移动的示意图，(C)为双光束激光光斑在水平方向上移动时的光强变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-4所示，本发明提供一种双光束超分辨定位***，包括：

(1)样品1，其上设有荧光层7，所述样品放置于移动装置2上；

(2)光束形成装置，包括光束发射器一301、光束发射器二302，所述光束发射器一出射的光束形成激发光，所述激发光用以辐照所述荧光层以使该荧光层中的荧光材料的性能或状态发生改变，所述光束发射器二出射的光束通过相位板303调制形成损耗光，所述损耗光用以辐照所述荧光层使得所述荧光材料在所述激发光的辐照下所发生的荧光材料的性能或状态变化得到部分或全部抑制或减弱，所述激发光、损耗光中至少一个为使所述荧光层中的荧光材料出射荧光的光束，所述光束发射器一、光束发射器二均为激光器；

(3)光束整形组件4，用以将所述激发光、损耗光整形聚焦后的光焦点导向所述荧光层，并激发荧光层中的荧光物质发射出荧光；

(4)光电探测器5，用于探测所述荧光层中的荧光材料所发出的荧光的光强；

(5)控制器6，分别与所述光电探测器、光束形成装置、移动装置相连；

所述控制器控制所述光束形成装置对所述样品出射激发光、损耗光，激发光、损耗光作用于所述样品上的荧光层，荧光层中的荧光材料发出的荧光经所述光电探测器探测光强后将光强信息反馈给所述控制器，所述控制器决定是否调整所述移动装置以使所述样品移动及所述样品的移动位置幅度。

双光束超分辨在激光定位方面与传统激光定位不同，采用了两束激光作为探测光。损耗光在调制中加入了一个相位板，损耗光在焦点处会汇聚形成一个中心光强为零的空心光斑。所述双光束作用于荧光层的荧光材料，两束光对荧光材料的作用有不同的反馈，一般是损耗光损耗掉激发光对荧光材料的作用效果，损耗光和激发光对荧光材料的作用是一种竞争关系。

本发明中的双光束超分辨定位技术可以采用受激辐射损耗显微原理。该理论源自于爱因斯坦的受激辐射理论，并由斯蒂芬·黑尔创造性地用于显微技术。该原理主要内容：两束严格共轴的激光，其中一束为激发光，另一束为损耗光，损耗光经过一个漩涡相位板或功能相当的空间光相位调制器调制，在焦点处形成一个空心光斑，其中心光强为零；激发光通过聚焦后在焦点处形成一高斯形状光强分布光斑。如图2所示，(a)表示电子能级跃迁简图，激发光能够将荧光物质中处于低能级上的电子从基态激励到激发态，这些电子在上能级不能稳定存在，会从激发态弛豫到基态，该过程中会伴随辐射出荧光，设该荧光的光频率为ν0；外层环形损耗光的频率ν1稍小于ν0,因为基态一般是一个多重态，存在与波长ν1相匹配的能级差，损耗光能够与荧光物质的激发态电子形成共振，使其以受激辐射的形式跃迁回基态，受激辐射下辐射出的光波长与环形损耗光波长、相位、方向一致，损耗光足够强时只有激发光的焦点中心处能够辐射出ν0的信号光，这样损耗光与激发光重叠的部分就能有效抑制激发光的作用，变相地减小了辐射信号光ν0的在荧光材料上的光斑尺寸。(b)表示双光束分布的光强示意图，损耗光在激发光中心光强为零，沿焦点中心两侧光强逐渐增强；(c)表示双光束叠加作用的光强示意图，其与(b)等效，从中可看出，有效激发光作用范围显著减小；(d)表示激发光、损耗光及二者叠加后的光斑的平面分布，其中A表示激发光，B表示损耗光，C表示激发光与损耗光叠加作用后的辐射信号光ν0在荧光材料上的光斑。

本发明中的双光束超分辨技术也可采用基态损耗原理，原理如图3所示，外圈环形的损耗光采用强激光，将***荧光材料激发到一个很高的能态，激发的电子再慢慢跃迁回一个不发光的三重态，这时能够被激发光激励发射荧光的只有中心区域的材料，这样也能够减小有效激发光作用范围。

本发明提供一种双光束超分辨定位***，其既可进行垂直方向的精密定位，也可实现水平方向的精密定位。本实施例中在样本上压印或附着多条平行且间距相等的荧光带，荧光带的宽度为10-1000nm不等,相邻荧光带的中心间距为10-5000nm不等。

上述双光束超分辨定位***，在垂直方向进行定位时，移动装置拖动样品在垂直方向上移动，图4(a)为双光束激光光斑落于荧光层的示意图，当双光束激光的光焦点汇聚于荧光层时，双光束激光的峰值光强作用于荧光层，光电探测器此时搜集到的荧光材料发出的荧光的强度达到峰值，而双光束激光的光焦点不在荧光层时，荧光材料的荧光强度急剧减弱，光电探测器上的信号也相对应急剧减弱。如图(b)所示，如果是传统的单束光聚焦探测，因为半高宽较大，激光的光焦点偏离荧光层时，其荧光强度变化量没有双光束***大，相应的光电探测器探测到的信号强度变化量也没有双光束***大。所以在光电探测器中，同等位移变化下，双光束***比单光束***更加灵敏。上述双光束超分辨定位***，在水平方向进行定位时，移动装置拖动样品在水平方向上移动，双光束激光首先进行垂直方向定位，如图5(a)所示，首先保证激光的光焦点落于荧光材料上，然后如图5(b)所示，再将光束在水平方向上移动，原理同垂直定位时类似，同样是利用荧光材料的荧光响应。如图5(c)所示，因为双光束***，环形的损耗光能够抑制激发光的影响，有效半高宽随外圈抑制光功率增加而减小，用来扫描间距较窄的压印荧光带时，能够屏蔽邻近材料的荧光干扰。双光束光焦点扫描到荧光材料上时，光电探测器响应强度达到峰值，双光束光焦点稍偏离荧光材料表面时，光电探测器对荧光材料的荧光响应强度急剧降低。可以依据光电探测器响应信号单个周期内强度与横向距离的分布关系，与多个周期信号的变化，判断样品的横向位移。

本发明中所用到的荧光材料可以压印或者附着在被探测物体表面，此时所述荧光材料需要呈固相或液相，为固相时，可以是膜状或为颗粒状，颗粒可以均匀或不均匀地分散；为液相时，可以是凝胶状。所述荧光材料在外界激光激发下能够辐射荧光。这些荧光材料在激光作用下具有受激损耗或基态清空等性质，主要是利用材料在基态及激发态上都具有多重态的性质，利用激光与这些能态的相互作用。这些荧光材料一般包含量子点材料、聚集诱导发光材料、稀土材料、金属有机络合物等有机或无机荧光材料，但并不限于这些材料。

本发明所提到的激发光和损耗光对荧光材料作用相反，可以使用激光但不限制于激光；本发明所提到的激发光和损耗光可以是不同也可以是相同波长的光。本发明所提到的激发光和损耗光可以是脉冲光也可以是连续光。

本发明包括但不限制于以下应用实例。本发明中的激发光与损耗光并不限于聚焦成单光斑的形式。激发光与损耗光可以利用光栅或者空间光调制器调制成线状分布或者面状分布的多焦点光斑阵列，用于实现水平面高精度的水平定位，并探测样品表面平整度，所需探测的样品需预先压印或附着一层荧光材料，荧光探测则需要一列水平的光学探测器；由多个光电探测器拼成矩形或其他形状，重要的是光电探测器与光焦点一一对应。这样的探测器可以是CCD或者CMOS器件，也可以是有单点探测器拼接成的探测器阵列。

本发明还可以用于光盘驱动器中的光学头与光盘相对位置的定位。常见的光盘因为运转中会有抖动，光学头聚焦光斑不一定落在光盘记录层上，所以需要使光学头与盘面的相对距离保持一致，这个定位称之为轴向定位，即垂直方向定位；而在光盘旋转的过程中，需要找到精准的数据位进行读/写，这种定位称为径向定位，即水平方向定位。常规定位方法由于光斑的尺寸限制，如果扫描范围内有多个轨道，并且轨道的间距太近，探测器无法分辨清楚，所以光盘的数据轨道不能做得更密集，限制了光盘存储密度的提高。若采用本发明提供的定位***及方法，则能够突破衍射极限的限制，实现PB级超高存储密度的新型光存储器。

以上仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双光束超分辨定位***，其特征在于，包括：

样品，其上设有荧光层，所述样品放置于移动装置上；

光束形成装置，包括光束发射器一、光束发射器二，所述光束发射器一出射的光束形成激发光，所述激发光用以辐照所述荧光层以使该荧光层中的荧光材料的性能或状态发生改变，所述光束发射器二出射的光束通过相位板调制形成损耗光，所述损耗光用以辐照所述荧光层使得所述荧光材料在所述激发光的辐照下所发生的荧光材料的性能或状态变化得到部分或全部抑制或减弱，所述激发光、损耗光中至少一个为使所述荧光层中的荧光材料出射荧光的光束；

光束整形组件，用以将所述激发光、损耗光整形聚焦后的光焦点导向所述荧光层，并激发荧光层中的荧光物质发射出荧光；

光电探测器，用于探测所述荧光层中的荧光材料所发出的荧光的光强；

控制器，分别与所述光电探测器、光束形成装置、移动装置相连；

所述控制器控制所述光束形成装置对所述样品出射激发光、损耗光，激发光、损耗光作用于所述样品上的荧光层，荧光层中的荧光材料发出的荧光经所述光电探测器探测光强后反馈给所述控制器，所述控制器决定是否调整所述移动装置以使所述样品移动以及所述样品的移动位置幅度。

2.根据权利要求1所述的双光束超分辨定位***，其特征在于，所述荧光层呈固相或液相。

3.根据权利要求2所述的双光束超分辨定位***，其特征在于，所述光束通过透镜聚焦后形成单焦点光斑，所述激发光的光焦点呈实心椭球形光斑，所述损耗光的光焦点呈中心光强为零的空心状光斑，所述激发光与损耗光的光斑中心重合。

4.根据权利要求2所述的双光束超分辨定位***，其特征在于，所述光束通过光栅或者空间光调制器调制并通过透镜聚焦后形成多焦点光斑阵列，所述探测器为线状或者面状阵列以使其与所述线状或者面状分布的光焦点一一对应，所述激发光的多焦点光斑阵列中的单个光焦点呈实心椭球形光斑，所述损耗光的多焦点光斑阵列中的单个光焦点呈中心光强为零的空心状光斑，所述激发光与损耗光的光焦点一一对应，并且两种光斑中心位置一一重合。

5.根据权利要求2-4任一项所述的双光束超分辨定位***，其特征在于，所述荧光层中的荧光材料具有三重态。

6.一种双光束超分辨定位方法，其特征在于，步骤包括：

S1将含有荧光层的样品放置于移动装置上，所述移动装置将其位置信息发送给控制器；

S2所述控制器分别控制光束发射器一、光束发射器二发射光束，所述光束发射器一出射的光束形成激发光，用以辐照所述荧光层以使该荧光层中的荧光材料的性能或状态发生改变，所述光束发射器二出射的光束为通过相位调制形成损耗光，所述损耗光用以辐照所述荧光层使得所述荧光材料在所述激发光的辐照下所发生的荧光材料的性能或状态变化得到部分或全部抑制或减弱，所述激发光、损耗光中至少一个能使所述荧光层中的荧光材料出射荧光；

S3将所述激发光、损耗光进行整形聚焦后的光焦点导向所述荧光层，并将所述荧光层中的荧光物质受激发发出的荧光导入光电探测器，所述光电探测器探测所述荧光的光强，并将该光强信号反馈给所述控制器；

S4所述控制器根据所述光强信息决定是否调整所述移动装置以使所述样品移动以及所述样品的移动位置幅度。

7.根据权利要求6所述的双光束超分辨定位方法，其特征在于，步骤S2中荧光材料的性能或状态发生改变具体为：所述激发光激发所述荧光层中的荧光材料出射荧光；步骤S2中性能或状态改变的荧光材料的性能或状态变化得到部分或全部抑制具体为：所述损耗光使发出荧光的荧光材料出射波长不同于步骤S3中被光电探测器所检测的荧光波长的光。

8.根据权利要求6所述的双光束超分辨定位方法，其特征在于，步骤S2中荧光材料的性能或状态发生改变具体为：所述激发光激发所述荧光层中的荧光材料出射荧光；步骤S2中性能或状态改变的荧光材料的性能或状态变化得到部分或全部抑制具体为：所述损耗光使发出荧光的荧光材料不发出所述荧光或者使得所述荧光减弱。

9.根据权利要求6-8任一项所述的双光束超分辨定位方法，其特征在于，所述步骤S3中进行整形后的光焦点具体为：将所述激发光、损耗光经过物镜聚焦后形成单焦点光斑。

10.根据权利要求6-8任一项所述的双光束超分辨定位方法，其特征在于，所述步骤S3中进行整形后的光焦点具体为：将所述激发光、损耗光经过光栅或者空间光调制器调制后并通过透镜聚焦形成线状或者平面分布的多焦点光斑阵列；所述S3中进行光强探测具体为：使用线状或者平面分布的探测器对线状或者平面分布的光焦点进行探测，所述探测器与光焦点一一对应。