激光受激发射损耗三维超分辨分光瞳差动共焦成像方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术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分光瞳差动共焦成像方法与装置。本发明专利技术的核心思想是将分光瞳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，集成了分光瞳差动共焦探测技术的高分辨、高散射抑制特性，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，继而提高系统的空间分辨力和抗样品散射能力。该装置包括激发激光系统、第一双色镜、四分之一波片、测量物镜、样品、扫描工作台、淬灭激光系统、光束整形系统、第二双色镜、分光瞳差动共焦探测系统及数据处理模块。本发明专利技术具有高空间分辨、高散射样品抑制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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学精密成像测试
，涉及一种激光受激发射损耗三维超分辨分光瞳差动共焦成像方法与装置，可用于微纳米
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，中国专利技术专利“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，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗干扰能力，中国专利技术专利“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系统差动相减探测技术，改善轴向分辨力，继而显著改善系统空间分辨力和层析成像能力，其同样使系统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，本专利技术提出另一种全新的激光受激发射损耗三维超分辨分光瞳差动共焦成像方法，其通过分光瞳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。
技术实现思路
本专利技术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分光瞳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。本专利技术通过位于焦平面位置的探测系统的分光瞳差动相减探测技术，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系统的空间分辨能力和层析成像能力。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术激光受激发射损耗三维超分辨分光瞳差动共焦成像方法，包括以下步骤：1.在测量物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳；激发激光系统发出的波长为λ1的激发平行光束经第一双向分色镜反射，再透过第二双色镜和四分之一波片入射到测量物镜上，经照明光瞳由测量物镜聚焦到被测样品，被测样品反射的带有样品信息的光(或激发的荧光)经测量物镜的收集光瞳、四分之一波片、第二双色镜和第一双色镜后进入分光瞳激光差动共焦探测系统；分光瞳激光差动共焦探测系统利用探测器横向偏移能够使分光瞳激光共焦显微系统的轴向响应特性曲线产生相移的特性，采用单光路、单探测器分割焦斑差动探测方法，实现对被测样品表面形貌信息的探测，具体过程为：对分光瞳差动共焦探测系统所获得的探测光斑进行分割处理，得到探测区域A和探测区域B的两个信号；当对两个探测区域的信号进行差动相减处理时，能够进行高空间分辨的三维层析成像；2.对被测样品进行轴向扫描定焦，探测区域A和探测区域B分别测得反映被测样品表面形貌信息的强度响应信号I1(x,y,z)和I2(x,y,z)，并经分光瞳差动共焦探测系统相减得到差动响应F(x,y,z)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，淬灭激光系统发出的波长为λ2的平行光束经光束整形系统整形，该整形光束经第二双色镜反射，再透过四分之一波片和测量物镜的照明光瞳聚焦在焦点附近生成环形光斑；4.利用波长为λ2的环形光斑对波长为λ1的测量系统的聚焦焦斑进行淬灭，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分光瞳差动共焦探测得到差动响应F(x,y,z)，即可重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度。本专利技术提供了一种三维超分辨分光瞳差动共焦成像装置，包括激发激光系统、第一双色镜、四分之一波片、测量物镜、样品、扫描工作台、淬灭激光系统、光束整形系统、第二双色镜、分光瞳差动共焦探测系统及数据处理模块；其中第一双色镜放置在激发激光光束产生系统出射方向，光束整形系统、第二双色镜放置在淬灭激光系统出射方向，第二双色镜、四分之一波片、测量物镜、样品、扫描工作台依次放置在第一双色镜反射方向，分光瞳差动共焦探测系统位于第一双色镜和第二双色镜的透射光方向，分光瞳差动共焦探测系统包括数据处理模块，用于处理分光瞳差动共焦探测系统采集到的数据；分光瞳差动共焦探测系统包括激发激光系统、第一双色镜、四分之一波片、测量物镜、照明光瞳、收集光瞳、聚光镜、图像采集系统和扫描工作台。其中，在测量物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳，照明光瞳和测量物镜依次位于第一双色镜和第二双色镜反射光方向上，照明光瞳与激发光束同轴；分光瞳激光差动共焦探测系统位于第一双色镜和第二双色镜的透射方向上；被测样品固定在三维扫描装置的载物台上。本专利技术的装置中，淬灭激光系统可以是连续光源，也可以是脉冲光源。本专利技术的装置中，光束整形系统可以是环形光整形系统，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激光束；也可以是位相调制系统，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。特别的，可以通过设置探测区域A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光受激发射损耗三维超分辨分光瞳差动共焦成像方法与装置，其特征在于：1)在测量物镜(4)的光瞳面上放置照明光瞳(5)和收集光瞳(6)；激发激光系统(1)发出的波长为λ1的激发平行光束经第一双向分色镜(2)反射，在透过第二双色镜(17)和四分之一波片(3)入射，经照明光瞳(5)由测量物镜(4)聚焦在被测样品(7)，被测样品(7)反射的带有样品信息的光(或激发的荧光)测量物镜(4)的收集光瞳(6)、四分之一波片(3)、第二双色镜(17)和第一双色镜(2)，进入分光瞳差动共焦探测系统(9)；分光瞳差动共焦探测系统(9)利用探测器横向偏移能够使分光瞳激光共焦显微系统的轴向响应特性曲线产生相移的特性，采用单光路、单探测器分割焦斑差动探测方法，实现对被测样品(7)表面形貌信息的探测，具体过程为：对分光瞳激光差动共焦探测系统所获得的探测光斑进行分割处理，得到探测区域A(12)和探测区域B(13)；当对两个探测区域(12)和(13)的信号进行差动相减处理时，能够进行高空间分辨的三维层析成像；2)对被测样品(7)进行轴向扫描定焦，探测区域A(12)和探测区域B(13)分别测得反映被测样品表面形貌信息的强度响应信号I1(x,y,z)和I2(x,y,z)，并经分光瞳差动共焦探测系统(9)得到差动响应F(x,y,z)的分光瞳差动共焦曲线(14)；3)轴向移动被测样品(7)，使被测样品(7)处于分光瞳差动共焦曲线零点附近，对应聚焦焦斑(8)；此时，淬灭激光系统(15)发出的波长为λ2的平行光束经光束整形系统(16)整形，该整形光束经第二双色镜(17)反射，再透过四分之一波片(3)和测量物镜(4)的照明光瞳(5)聚焦在焦点附近生成环形光斑(18)；4)利用波长为λ2的聚焦环形光斑(18)对波长为λ1的测量系统的聚焦焦斑(8)进行淬灭，进而得到光斑尺寸与环形光斑(18)中空尺寸对应的尺寸极小的淬灭聚焦光斑(19)。5)利用淬灭聚焦光斑(19)发出的带有样品信息的光束进行分光瞳差动共焦探测得到差动响应F(x,y,z)，即可重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度。...

【技术特征摘要】
1.一种激光受激发射损耗三维超分辨分光瞳差动共焦成像方法与装
置，其特征在于：
1)在测量物镜(4)的光瞳面上放置照明光瞳(5)和收集光瞳(6)；
激发激光系统(1)发出的波长为λ1的激发平行光束经第一双向分色镜(2)
反射，在透过第二双色镜(17)和四分之一波片(3)入射，经照明光瞳(5)
由测量物镜(4)聚焦在被测样品(7)，被测样品(7)反射的带有样品信
息的光(或激发的荧光)测量物镜(4)的收集光瞳(6)、四分之一波片(3)、
第二双色镜(17)和第一双色镜(2)，进入分光瞳差动共焦探测系统(9)；
分光瞳差动共焦探测系统(9)利用探测器横向偏移能够使分光瞳激光共焦
显微系统的轴向响应特性曲线产生相移的特性，采用单光路、单探测器分
割焦斑差动探测方法，实现对被测样品(7)表面形貌信息的探测，具体过
程为：对分光瞳激光差动共焦探测系统所获得的探测光斑进行分割处理，
得到探测区域A(12)和探测区域B(13)；当对两个探测区域(12)和(13)
的信号进行差动相减处理时，能够进行高空间分辨的三维层析成像；
2)对被测样品(7)进行轴向扫描定焦，探测区域A(12)和探测区域
B(13)分别测得反映被测样品表面形貌信息的强度响应信号I1(x,y,z)和
I2(x,y,z)，并经分光瞳差动共焦探测系统(9)得到差动响应F(x,y,z)的分光瞳
差动共焦曲线(14)；
3)轴向移动被测样品(7)，使被测样品(7)处于分光瞳差动共焦曲
线零点附近，对应聚焦焦斑(8)；此时，淬灭激光系统(15)发出的波长
为λ2的平行光束经光束整形系统(16)整形，该整形光束经第二双色镜(17)
反射，再透过四分之一波片(3)和测量物镜(4)的照明光瞳(5)聚焦在
焦点附近生成环形光斑(18)；
4)利用波长为λ2的聚焦环形光斑(18)对波长为λ1的测量系统的聚焦
焦斑(8)进行淬灭，进而得到光斑尺寸与环形光斑(18)中空尺寸对应的
尺寸极小的淬灭聚焦光斑(19)。
5)利用淬灭聚焦光斑(19)发出的带有样品信息的光束进行分光瞳差
动共焦探测得到差动响应F(x,y,z)，即可重构被测样品的表面三维形貌及微

\t观尺度。
2.一种激光受激发射损耗三维超分辨分光瞳差动共焦成像装置，其特
征在于：包括激发激光系统(1)、第一双色镜(2)、四分之一波片(3)、
测量物镜(4)、扫描工作台(23)、淬灭激光系统(15)、光束整形系统(16)、
第二双色镜(17)、分光瞳差动共焦探测系统(9)；其中第一双色镜(2)
放置在激发激光系统出射方向(1)，光束整形系统(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，邱丽荣，王允，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11