一種超分辨結(jié)構(gòu)探測共焦熒光成像裝置及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及成像裝置及其成像方法，具體涉及一種超分辨結(jié)構(gòu)探測共焦熒光成像 裝置及其成像方法，屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)顯微術(shù)是一種歷史悠久且十分重要的無破壞性技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于生物和材 料科學(xué)等領(lǐng)域。共焦顯微測量技術(shù)是一種適用于微米及亞微米尺度測量的三維光學(xué)顯微技 術(shù)。反射式共焦顯微系統(tǒng)的層析能力使之在三維成像領(lǐng)域顯得十分重要。
[0003] 在20世紀(jì)50年代中后期，共焦顯微鏡由Minsky發(fā)明，1977年，C. J. R. Skpparc^P A. Choudhury首次闡明共焦顯微系統(tǒng)在點(diǎn)針孔掩模的作用下，以犧牲視場為代價(jià)，使橫向分 辨率提高到相同孔徑普通顯微鏡的1. 4倍。此后，共焦顯微測量技術(shù)受到普遍關(guān)注，成為了 顯微科學(xué)領(lǐng)域的重要分支。
[0004] 但是，傳統(tǒng)共焦技術(shù)一直受到探測器尺寸的影響，共焦顯微技術(shù)的分辨力難以提 尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有共焦顯微技術(shù)的分辨力難以提高，共焦成像不清晰 的問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種超分辨結(jié)構(gòu)探測共焦熒光成像裝置，包括激光光源，沿 激光光源光線傳播方向依次設(shè)有準(zhǔn)直擴(kuò)束器、分光棱鏡、1/4波片、掃描系統(tǒng)、照明物鏡、熒 光樣品、收集透鏡和CCD探測器，整個(gè)光路成像過程為非相干成像。
[0007] 所述掃描系統(tǒng)包括掃描振鏡，掃描振鏡改變光束偏轉(zhuǎn)角在焚光樣品的物面進(jìn)行掃 描。
[0008] 基于所述一種超分辨結(jié)構(gòu)探測共焦熒光成像裝置的成像方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟一、利用CCD探測器的探測函數(shù)獲得共焦系統(tǒng)的積分光強(qiáng)；
[0010] 步驟二、根據(jù)步驟一所述的積分光強(qiáng)獲得共焦系統(tǒng)的三維光強(qiáng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；
[0011] 步驟三、對步驟二所述的三維光強(qiáng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行三維傅里葉變換，獲得共焦系 統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)；
[0012] 所述步驟一具體包括：所述探測面采用非均勻探測方式，使得探測面內(nèi)探測靈敏 度系數(shù)成正弦分布，探測光斑光強(qiáng)在半徑為艾里斑半徑的圓函數(shù)內(nèi)乘以正弦分布的探測系 數(shù)，得到共焦系統(tǒng)的積分光強(qiáng)。
[0013] 所述探測面采用非均勻探測方式，在探測面區(qū)域內(nèi)進(jìn)行積分，改變對應(yīng)探測位置 的光靈敏度系數(shù)，進(jìn)而使探測函數(shù)成正弦分布，在該系統(tǒng)中，由于探測函數(shù)為正弦分布，探 測函數(shù)頻譜與普通共焦系統(tǒng)相比有效寬度增加，從而能夠使系統(tǒng)OTF帶寬增大，系統(tǒng)橫向 分辨力顯著提高在能發(fā)揮反射式共焦顯微系統(tǒng)的層析能力的同時(shí)充分發(fā)掘共焦系統(tǒng)的橫 向分辨潛力。
[0014] 所述步驟二獲得共焦系統(tǒng)三維光強(qiáng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的方法包括：將步驟一所述的積分 光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成三維卷積形式。
[0015] 所述掃描系統(tǒng)在掃描過程中探測光斑在探測面的位置不變。
[0016] 所述探測光斑光強(qiáng)乘以半徑為艾里斑半徑的圓函數(shù)并對計(jì)算后的圓函數(shù)內(nèi)光強(qiáng) 積分實(shí)現(xiàn)針孔探測。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果：本發(fā)明超分辨結(jié)構(gòu)探測共焦熒光成像裝置 與中，不需要普通共焦系統(tǒng)中探測面的針孔；在探測面特定區(qū)域進(jìn)行積分，改變對應(yīng)探測位 置的光靈敏度，探測函數(shù)成正弦分布，使探測區(qū)域和普通共焦中針孔區(qū)域相同；本發(fā)明創(chuàng)造 性的將結(jié)構(gòu)探測成像方法與共焦熒光顯微系統(tǒng)相結(jié)合，提高了共焦熒光成像系統(tǒng)的空間截 止頻率，拓寬空間頻域帶寬，從而顯著改善成像系統(tǒng)橫向分辨力，可適用于厚生物樣品成像 的測量領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明超結(jié)構(gòu)探測共焦熒光成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2是NA = 0. 1，λ = 660nm，探測面針孔半徑
：時(shí)，基本共焦顯微系統(tǒng)的 探測面頻譜歸一化仿真圖。
[0020] 圖3是NA = 0· 1，λ = 660nm，探測面針孔半徑
探測函數(shù)D(r)= (2/25+cos(2 π fQx)+c〇s(2 π fQy))circ(r/rd) δ (z)，
-時(shí)，結(jié)構(gòu)探測共焦系統(tǒng)探測 面頻譜歸一化仿真圖。
[0021] 圖4是NA = 0. 1，λ = 660nm，探測面針孔半徑
時(shí)，基本共焦顯微系統(tǒng) 的OTF歸一化仿真圖。
[0022] 圖5是NA = 0· 1，λ = 660nm，探測面針孔半徑
，探測函數(shù)D(r)= (2/25+cos (2 π f〇x) +cos (2 jt f〇y)) circ (r/rd) δ (z),
時(shí)，結(jié)構(gòu)探測共焦系統(tǒng) OTF 歸一化仿真圖。
[0023] 圖6是NA = 0· 1，λ = 660nm，探測面針孔半徑
、探測函數(shù)D(r)= (2/25+cos (2 π f〇x) +cos (2 jt f〇y)) circ (r/rd) δ (z),
時(shí)，結(jié)構(gòu)探測共焦系統(tǒng) OTF 與基本共焦系統(tǒng)OTF在fx方向?qū)Ρ葰w一化仿真圖。
[0024] 圖7是X方向和y方向上間隔為3. 02um的條紋樣品仿真圖。
[0025] 圖8是條紋樣品在NA = 0. 1，λ = 660nm，探測面針孔半徑
時(shí)的基本共 焦顯微系統(tǒng)中所探測到的頻譜仿真圖。
[0026] 圖9是條紋樣品在NA = 0. 1，λ = 660nm，探測面針孔半徑
時(shí)的基本共 焦顯微系統(tǒng)中所成像光強(qiáng)歸一化仿真圖。
[0027] 圖10是條紋樣品在NA = 0. 1，λ = 660nm，探測面針孔半徑
_探測函數(shù) D(r) = (2/25+cos(2 π f〇x)+cos(2 π f〇y))circ(r/rd) δ (z),
時(shí)，的結(jié)構(gòu)探測共焦 顯微系統(tǒng)中所探測到的頻譜仿真圖。
[0028] 圖11是條紋樣品在NA = 0. 1，λ = 660nm，探測面針孔半徑
探測函數(shù) D(r) = (2/25+cos(2 π f〇x)+cos(2 π f〇y))circ(r/rd) δ (z),
時(shí)，結(jié)構(gòu)探測共焦顯 微系統(tǒng)中所成像光強(qiáng)歸一化仿真圖。
[0029] 圖12是條紋樣品與其在基本共焦顯微系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)探測共焦顯微系統(tǒng)中所成像在 X方向光強(qiáng)對比歸一化仿真圖。
[0030] 圖中：1、激光光源，2、準(zhǔn)直擴(kuò)束器，3、分光棱鏡，4、收集透鏡，5、1/4波片，6、CCD探 測器，7、掃描系統(tǒng)，8、照明物鏡，9、熒光樣品。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明的一種超分辨結(jié)構(gòu)探測共焦熒光成 像裝置，包括激光光源1，沿激光光源1光線傳播方向依次設(shè)有準(zhǔn)直擴(kuò)束器2、分光棱鏡3、 1/4波片5、掃描系統(tǒng)7、照明物鏡8、熒光樣品9、收集透鏡4和CXD探測器6。
[0032] 所述掃描系統(tǒng)包括掃描振鏡，掃描振鏡改變光束偏轉(zhuǎn)角在焚光樣品的物面進(jìn)行掃 描。
[0033] 基于所述一種超分辨結(jié)構(gòu)探測共焦熒光成像裝置的成像方法，包括以下步驟：
[0034] 步驟一、所述步驟一具體包括：所述探測面采用非均勻探測方式，使得探測面內(nèi)探 測靈敏度系數(shù)成正弦分布，探測光斑光強(qiáng)在半徑為艾里斑半徑的圓函數(shù)內(nèi)乘以正弦分布的 探測系數(shù)，得到共焦系統(tǒng)的積分光強(qiáng)；
I.
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