一種超分辨聲光調製共焦成像裝置與方法

2023-12-11 15:09:17 1

專利名稱：一種超分辨聲光調製共焦成像裝置與方法
技術領域：
一種超分辨聲光調製共焦成像裝置與方法屬於光學精密測量技術領域。
背景技術：
光學顯微術是一種無破壞性技術，被廣泛應用於生物和材料科學等領域。共焦顯微測量技術由於反射式共焦顯微系統的層析能力以及橫向解析度提高到相同孔徑普通顯微鏡的1.4倍的成像優勢，現今已成為一種適用於微米及亞微米尺度測量的三維光學顯微技術，是顯微科學領域的重要分支。但是，傳統共焦技術一直受到由於透鏡孔徑限制與近場隱矢波的迅速衰減所導致的傳統透鏡數值孔徑無 法超過I的原理限制，因此無法突破衍射極限，實現超精細結構的隱矢波成像。超分辨聲光調製成像方法源自Lukosz，1967年，Lukosz認為光學系統的時間帶寬與空間帶寬的乘積為一個常數，提出了犧牲時間解析度實現空間超分辨的思想:利用移動光柵或者聲光柵，犧牲時間帶寬來增加空間帶寬。在1997年和1999年，基於Lukosz的思想D.Mendlovic等人利用移動光柵超分辨原理實現4-F系統超分辨並取得實驗驗證。2008年，Vicente Mico等人利用旋轉光柵系統提高了 4_F系統橫向分辨力，並得到實驗結果。但是，對於超分辨移動光柵系統而言，由於存在移動部件，實驗系統的複雜性大大增加。2012年，Evgenii Narimanov等人提出了超分辨聲光調製系統，該系統中利用喇曼奈斯(Raman-Nath)衍射型聲光柵，因此不需要移動部件。目前尚未出現將超分辨聲光調製成像方法引入共焦顯微系統的報導。

發明內容
為了同時獲得共焦技術和超分辨聲光調製成像方法的優點，本發明公開了一種超分辨聲光調製共焦成像裝置與方法，該裝置與方法可以提高共焦系統空間截止頻率，甚至可以使隱矢波成分參與成像，拓寬空間頻域帶寬，從而顯著改善系統橫向分辨力，尤其適用於提高數值孔徑以及實現近場隱矢波成分在遠場成像的測量領域。本發明的目的是這樣實現的:一種超分辨聲光調製共焦成像裝置，包括雷射光源，沿雷射光源光線傳播方向依次放置準直擴束器、聚焦物鏡、樣品、喇曼-奈斯衍射型調製聲光柵、第一收集物鏡、第二收集物鏡、喇曼-奈斯衍射型解調聲光柵、針孔、光強探測器以及信號處理裝置；所述的調製聲光柵和解調聲光柵的光柵類型相同，空間周期相同，設置在物空間和像空間的共軛位置，採用的超聲波驅動頻率相同，方向相反；所述的信號處理裝置具有濾波或對時間積分的功倉泛。上述的一種超分辨聲光調製共焦成像裝置，所述的調製聲光柵緊貼樣本，解調聲光柵與針孔緊貼光強探測器，距離均在隱矢波穿透深度內。一種超分辨聲光調製共焦成像方法，利用調製聲光柵對共焦系統中經過樣品後的光進行時空調製，並在調製光進入光強探測器前通過解調聲光柵進行解調，得到掃描點瞬時光強信號I (Xs，Is ;t)，最後利用信號處理裝置進行信號處理，得到掃描點光強I (xs，ys)。本發明超分辨聲光調製共焦成像裝置與方法，該裝置設置有類型相同，空間周期相同，在物空間和像空間的共軛位置以相同頻率相反方向超聲波驅動的喇曼-奈斯衍射型調製聲光柵和解調聲光柵，設置具有濾波或對時間積分功能的信號處理裝置；該方法利用調製聲光柵對共焦系統中經過樣品後的光進行時空調製，並在調製光進入光強探測器前通過解調聲光柵進行解調，得到掃描點光強信號，最後進行信號處理，得到掃描點光強；這種將聲光柵引入共焦顯微技術的設計，可以在不引入移動部件的條件下，提高共焦系統空間截止頻率，甚至可以使隱矢波成分參與成像，拓寬空間頻域帶寬，從而顯著改善系統橫向分辨力，尤其適用於提高數值孔徑以及實現近場隱矢波成分在遠場成像的測量領域。


圖1是本發明超分辨聲光調製共焦成像裝置結構示意圖。圖2是當軸向歸一化坐標u=0, NA=0.1時基本共焦橫向歸一化光強仿真圖。圖3是當軸向歸一化坐標u=0，NA=0.1時，本實施例的一維超分辨聲光調製光柵共焦橫向歸一化光強。圖中:1雷射光源、2準直擴束器、3聚焦物鏡、4樣品、5調製聲光柵、6第一收集物鏡、7第二收集物鏡、8解調聲光柵、9針孔、10光強探測器、11信號處理裝置。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明具體實施方式
作進一步詳細描述。本實施例的超分辨聲光調製共焦成像裝置結構示意圖如圖1所示，該裝置包括雷射光源1，沿雷射光源1光線傳播方向依次放置準直擴束器2、聚焦物鏡3、樣品4、喇曼-奈斯衍射型調製聲光柵5、第一收集物鏡6、第二收集物鏡7、喇曼-奈斯衍射型解調聲光柵
8、針孔9、光強探測器10以及信號處理裝置11 ;所述的調製聲光柵5和解調聲光柵8的光柵類型相同，空間周期相同，設置在物空間和像空間的共軛位置，採用的超聲波驅動頻率相同，方向相反；所述的信號處理裝置11具有濾波或對時間積分的功能。所述的調製聲光柵5緊貼樣本，解調聲光柵8與針孔9緊貼光強探測器10，距離均在隱矢波穿透深度內。本實施例的超分辨聲光調製共焦成像方法，利用調製聲光柵5對共焦系統中經過樣品4後的光進行時空調製，並在調製光進入光強探測器10前通過解調聲光柵8進行解調，得到掃描點瞬時光強信號1 (xs，ys; t)，最後利用信號處理裝置11進行信號處理，得到掃描點光強I (xs, ys)。喇曼-奈斯衍射型聲光柵，衍射級次越高衍射光效率越低。本實施例採用的調製聲光柵5和解調聲光柵8均為衍射級次為O和± I的一維正弦光柵，且聚焦物鏡3與第一收集物鏡6的匯聚角相等，即數值孔徑相等，本實施例選擇NA=0.1。本實例中，為了使頻帶擴展後的CTF不重疊，所使用光柵的空間頻率需滿足v0 ≥ 4sin(a 0) / λ其中，V0為光柵的空間頻率，即光柵空間周期的倒數；a ^為聚焦物鏡3與第一收集物鏡6的匯聚角；λ為照明光波長；
經過濾波或積分的信號處理後歸一化光強為:Ι(ν, Vx, Vv)* I [1 + 2J12(|)cos(41-v)][^^.]2 f其中，(vx，Vy)為掃描點歸一化X，y軸坐標；V為掃描點歸一化徑向坐標；J1 (X)為一階第一類貝塞爾函數，I為聲光柵光柵±1級衍射光由於而引起的被調製光束的相位變化。圖2所示的是當軸向歸一化坐標u=0, NA=0.1時基本共焦橫向歸一化光強仿真圖。圖3所示的是當軸向歸一化坐標u=0, NA=0.1時,本實施例的一維超分辨聲光調製光柵共焦橫向歸一化光強。通過對比圖2與圖3可以看出，光斑主瓣在一個方向上明顯變小，本實例中實現了共焦系統的一維超分辨 。
權利要求
1.一種超分辨聲光調製共焦成像裝置，包括雷射光源(1)，其特徵在於:沿雷射光源(1)光線傳播方向依次放置準直擴束器(2)、聚焦物鏡(3)、樣品(4)、喇曼-奈斯衍射型調製聲光柵(5)、第一收集物鏡(6)、第二收集物鏡(7 )、喇曼-奈斯衍射型解調聲光柵(8)、針孔(9)、光強探測器(10)以及信號處理裝置(11);所述的調製聲光柵(5)和解調聲光柵(8)的光柵類型相同，空間周期相同，設置在物空間和像空間的共軛位置，採用的超聲波驅動頻率相同，方向相反；所述的信號處理裝置(11)具有濾波或對時間積分的功能。
2.根據權利要求1所述的一種超分辨聲光調製共焦成像裝置，其特徵在於:所述的調製聲光柵(5)緊貼樣本，解調聲光柵(8)與針孔(9)緊貼光強探測器(10)，距離均在隱矢波穿透深度內。
3.一種超分辨聲光調製共焦成像方法，其特徵在於:利用調製聲光柵(5)對共焦系統中經過樣品(4)後的光進行時空調製，並在調製光進入光強探測器(10)前通過解調聲光柵(8)進行解調，得到掃描點瞬時光強信號J(Ws;i)，最後利用信號處理裝置(11)進行信號處理，得到掃描點光強I(xs，ys)。
全文摘要
一種超分辨聲光調製共焦成像裝置與方法屬於光學精密測量技術領域；該裝置設置有類型和空間周期相同，在物空間和像空間的共軛位置以相同頻率相反方向超聲波驅動的喇曼-奈斯衍射型調製聲光柵和解調聲光柵，設置具有濾波或對時間積分功能的信號處理裝置；該方法利用調製聲光柵對共焦系統中經過樣品後的光進行時空調製，並在調製光進入光強探測器前通過解調聲光柵進行解調，得到掃描點瞬時光強信號，最後進行信號處理，得到掃描點光強；本發明無需引入移動部件，即可提高共焦系統空間截止頻率，甚至可以使隱矢波成分參與成像，拓寬空間頻域帶寬，從而顯著改善系統橫向分辨力，尤其適用於提高數值孔徑以及實現近場隱矢波成分在遠場成像的測量領域。
文檔編號G01B11/00GK103245292SQ201310167658
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月9日 優先權日2013年5月9日
發明者鄒麗敏, 王寶凱, 陳彥均, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學