一种基于双针孔的超分辨显微方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于双针孔的超分辨显微方法以及应用此方法的装置，其中方法包括激光器发射出的光束聚焦到样品的表面形成信号光，将该信号光分为强度相等的两束光，这两束光分别通过第一针孔和第二针孔后进入相应探测器并进行对应的处理，所述第一针孔面积为0.5～2个爱里斑，所述第二针孔面积为2～5个爱里斑，且第一针孔的面积小于第二针孔。本发明专利技术通过对两个在不同针孔大小滤波作用下的共焦信号进行分析和处理，横向分辨率得到显著改善，实现了横向超分辨。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超分辨显微领域，特别涉及一种基于双针孔的超分辨显微方法和装置。
技术介绍
共焦显微镜最早是由M. Minsky于1957年提出，最初目的是为了消除普通光学显微镜在探测样品时产生的散射光影响。之后，共焦显微术因其出色的三维层析能力和高分辨率等特点迅速得到推广。然而，尽管共焦显微镜使其横向分辨率提高到相同孔焦比的普通光学显微镜的I. 4倍，但与其轴向分辨率相比仍差两个数量级，横向分辨率和轴向分辨率之间存在着极大的不平衡，因此进一步改善共焦显微系统的成像分辨率特别是横向分辨率变得尤为迫切。起初，人们通过增大物镜数值孔径NA和减小光波波长等方法来改善共焦系统的成像分辨能力，但是很快发现了这类方法的局限性，光学衍射极限制约了共焦显微系统成像分辨率的进一步提高。超分辨思想最先于1952年由Francia提出，但是直到共焦显微技术的出现和针孔的使用才使光学超分辨真正具有了实际意义。为了打破光学衍射极限的限制，从根本上改善共焦显微镜的成像分辨率，人们尝试了许多方法，例如4PI共焦显微镜、共焦干涉显微镜、基于非线性效应的双光子或多光子显微镜和基于针孔差分的差动共焦显微镜等方法。国内学者针对基于针孔差分的差动共焦显微镜也做了比较深入的研究，例如，赵维谦等人提出了具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法，并申请了相关专利(申请专利号CN200410006359. 6)。但是基于针孔的超分辨方法并不仅仅局限于上述专利中的方法，本专利技术提出一种基于双针孔的超分辨显微方法和装置，与上述专利中通过移动针孔进行差分的差动共焦显微术不同，本专利技术通过对两个在不同大小针孔的滤波作用下的共焦信号进行分析和处理，横向分辨率得到显著改善，实现了横向超分辨。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于双针孔的超分辨显微方法和装置，装置结构简单，易于操作，共焦显微系统的横向分辨率显著改善，实现了横向超分辨，可用于光学显微领域以及纳米高精度检测、测试和制造等领域。—种基于双针孔的超分辨显微方法，包括激光器发射出的光束聚焦到样品的表面形成信号光，将该信号光分为强度相等的两束光，这两束光分别通过第一针孔和第二针孔后进入相应探测器并进行对应的处理，所述第一针孔面积为0. 5 2个爱里斑，所述第二针孔面积为2 5个爱里斑。针对非荧光样品，信号光为光束聚焦到样品表面产生的反射光和散射光，针对荧光样品，信号光为光束聚焦到样品表面激发的荧光。优选的，所述第一针孔面积为I. 5个爱里斑，所述第二针孔面积为4. 5个爱里斑。、所述第一针孔面积选择I. 5个爱里斑的原因是为了与聚焦到样品表面的光斑大小匹配从而构成标准的共聚焦系统，所述第二针孔的面积选择4. 5个爱里斑的原因是为了与所述第一针孔的I. 5个爱里斑的大小匹配以获得最好的处理结果。优选的，所述第二针孔为环形孔，所述环形孔的中心不透光面积为I. 5个爱里斑，所述环形孔的透光部分与中心不透光部分面积之和为4. 5个爱里斑。 第二针孔可替换为环形孔，环形孔的中心不透光面积在0. 5 2个爱里斑之间，环形孔的透光部分与中心不透光部分面积之和在2 5个爱里斑之间，环形孔所在平面与于第二针孔所在平面重合，环形孔中心与于第二针孔中心重合。针对非荧光样品，本专利技术提供了一种基于双针孔的超分辨显微装置，包括用于发出光束的激光器，沿所述光束的光路依次布置的偏振片、偏振分束器、四分之一波片、第一透镜和用于承载待测样品的纳米平移台，依次布置在所述偏振分束器的反射光路上的第二透镜和分束器，分别用于对所述分束器射出的第一测量光和第二测量光进行滤波的第一针 孔和第二针孔，以及收集通过所述第一针孔和第二针孔的光强信号的探测系统，所述第一针孔面积为0. 5 2个爱里斑，所述第二针孔面积为2 5个爱里斑。探测系统由第一探测光纤、第一探测器、第二探测光纤、第二探测器和计算机组成。其中，第一探测光纤和第二探测光纤参数和性能完全相同，且两光纤端面面积足够收集通过两针孔的全部光强。优选的，所述第一针孔面积为I. 5个爱里斑，所述第二针孔面积为4. 5个爱里斑。所述第一针孔面积选择I. 5个爱里斑的原因是为了与聚焦到样品表面的光斑大小匹配从而构成标准的共聚焦系统，所述第二针孔的面积选择4. 5个爱里斑的原因是为了与所述第一针孔的I. 5个爱里斑的大小匹配以获得最好的处理结果。优选的，所述第二针孔为环形孔，所述环形孔的中心不透光面积为I. 5个爱里斑，所述环形孔的透光部分与中心不透光部分面积之和为4. 5个爱里斑。第二针孔可替换为环形孔，环形孔的中心不透光面积在0.5 2个爱里斑之间，环形孔的透光部分与中心不透光部分面积之和在2 5个爱里斑之间，环形孔所在平面与于第二针孔所在平面重合，环形孔中心与于第二针孔中心重合。优选的,所述激光器与偏振片之间依次设有用于对光束进行稱合的单模光纤和对光束进行准直的准直透镜。激光器发出的激光具有一定发散角，准直后的激光具有更好的平行性。针对非荧光样品，本专利技术的装置工作步骤如下(I)激光器发射出光束经单模光纤耦合和第一准直透镜准直，得到准直光束准直光束经偏振片调制为平行偏振光(P光)，平行偏振光经由偏振分束器全部透射后，再经四分之一波片调制为圆偏振光；圆偏振光经第一透镜聚焦到非荧光样品表面；(2)非荧光样品表面发生反射和散射，得到的反射光和散射光沿原光路逆向返回，先被第一透镜收集，再经过四分之一波片调制为垂直偏振光(s光)；垂直偏振光经由偏振分束器全部反射形成第一反射光，第一反射光经由第二透镜聚焦后，通过分束器分为强度相等的第一测量光和第二测量光，第一测量光通过第一针孔滤波后聚焦于第一探测光纤的光纤端面，第二测量光通过第二针孔滤波后聚焦于第二探测光纤的光纤端面，第一探测光的焦点与第一探测光纤的光纤端面中心重合，第二探测光的焦点与第二探测光纤的光纤端面中心重合，第一针孔所在平面紧贴第一探测光纤的光纤端面，且第一探测光光轴垂直通过第一针孔中心，第二针孔所在平面紧贴第二探测光纤的光纤端面，且第二探测光光轴垂直通过第二针孔中心；(3)第一探测光纤另一端连接第一探测器，第二探测光纤连接第二探测器，第一探测器和第二探测器与计算机相连，第一探测光纤通过耦合将经第一针孔滤波的测量光传至第一探测器，第一探测器将光信号转化为电信号传至计算机，信号设为I1 ;第二探测光纤通过耦合将经第二针孔滤波的测量光传至第二探测器，第二探测器将光信号转化为电信号传至计算机，信号设为I2;(4)计算机将两信号进行数据处理，完成一点扫描；(5)样品所在纳米平移台与计算机相连，通过计算机来控制纳米平移台使样品在垂直光轴面内移动完成二维扫描成像。 偏振分束器用于使经偏振片调制的平行偏振光全部透射通过，四分之一波片用于将透射后的平行偏振光调制为圆偏振光，第一透镜用于聚焦圆偏振光以及用于收集聚焦后样品反射和散射的光束，四分之一波片还用于将第一透射收集的返回的反射光和散射光调制为垂直偏振光，偏振分束器还用于使垂直偏振光(垂直偏振光是由四分之一波片将第一透镜收集的返回的反射光和散射光调制得到的)通过后全部反射。第二透镜用于对垂直偏振光在偏振分束器的反射光进行聚焦，分束器用于将聚焦反射光分离为两束强度相等的测量光，第一针孔和第二针孔用于分别对两束测量光进行滤波。第一探测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双针孔的超分辨显微方法，包括激光器发射出的光束聚焦到样品的表面形成信号光，将该信号光分为强度相等的两束光，这两束光分别通过第一针孔和第二针孔后进入相应探测器并进行对应的处理，其特征在于，所述第一针孔面积为0.5～2个爱里斑，所述第二针孔面积为2～5个爱里斑。

【技术特征摘要】
1.ー种基于双针孔的超分辨显微方法，包括激光器发射出的光束聚焦到样品的表面形成信号光，将该信号光分为强度相等的两束光，这两束光分别通过第一针孔和第二针孔后进入相应探测器并进行对应的处理，其特征在于，所述第一针孔面积为0. 5 2个爱里斑，所述第二针孔面积为2 5个爱里斑。2.如权利要求I所述的基于双针孔的超分辨显微方法，其特征在于，所述第一针孔面积为I. 5个爱里斑，所述第二针孔面积为4. 5个爱里斑。3.如权利要求2所述的基于双针孔的超分辨显微方法，其特征在干，所述第二针孔为环形孔，所述环形孔的中心不透光面积为I. 5个爱里斑，所述环形孔的透光部分与中心不透光部分面积之和为4. 5个爱里斑。4.一种基于双针孔的超分辨显微装置，包括用于发出光束的激光器，沿所述光束的光路依次布置的偏振片、偏振分束器、四分之一波片、第一透镜和用于承载待测样品的纳米平移台，依次布置在所述偏振分束器的反射光路上的第二透镜和分束器，分别用于对所述分束器射出的第一測量光和第二測量光进行滤波的第一针孔和第二针孔，以及收集通过所述第一针孔和第二针孔的光强信号的探测系统，其特征在于，所述第一针孔面积为0. 5 2个爱里斑，所述第二针孔面积为2 5个爱里斑。5.如权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：匡翠方，王轶凡，顾兆泰，李帅，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：