[发明专利]一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及显微检测仪器设计及制造领域，尤其是涉及一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置及方法。

背景技术

光学显微物镜是光学显微成像系统中的核心部件，物镜的成像质量严重影响整个系统最终的成像效果。成像质量主要是指像与物之间在不考虑放大率情况下的强度和色度的空间分布的一致性。在超分辨显微系统中，一般采用大数值孔径显微物镜，成像分辨率可达50nm，这就对显微物镜质量提出了更严格的要求。因此，如何精确、定量的测量和评价物镜成像质量是需要解决的问题。

目前，定量表述光学系统成像质量主要采用光学传递函数、波像差和点扩散函数等评价方法，而采用光学传递函数评价成像质量已成为国际公认标准，其测量方法包括了直接测量的对比法、波像差测量的干涉法以及点扩散函数测量的点光源测量法等。

对比法采用透过率成正弦变化的光栅或旋转的辐射型光栅作为物面，通过对比像面和物面的对比度来直接进行计算，其优点是误差可控，计算简单，并可直接观测结果，但是其缺点在于该方法检测频率受限于光栅频率而较低，对于分辨率达到衍射极限的超分辨显微镜物镜检测，其所需高频光栅制造难度大、成本高。

波像差检测的方法是采用干涉法，由干涉仪、基准平面镜和被测试光学成像系统构成的测试光路，光通过待测光学系统与参考光干涉形成干涉条纹被CCD等光电探测器记录，并数字化存储，由计算机按照一定的数学模型，通过求得光强傅里叶级数系数，即可求得波面的相位分布，从而可以得到光学传递函数。但是该方法受限于检测装置的相对孔径，对于大数值孔径显微物镜(如NA为1.45)，则无法实现物镜波像差的检测；此外，所需相移干涉仪产品价格昂贵，基准平面镜的面形质量也将直接影响测试结果的准确性。

点光源测量法又称针孔测量法，采用光源照明针孔的方法，使用光学系统直接对该点光源成像，在像面采用CCD记录光强，得到点扩散函数之后进行快速傅里叶变换就可得到系统的光学传递函数。若被测物镜的数值孔径大于检测显微镜物镜，则无法一次直接成像，需要配合转台和平移导轨等机构，完成对整个焦点区域的扫描探测。该方法缺点是测量受到针孔影响极大，无法实现真正的点光源，针孔过大则影响测量精度，针孔过小则光强极弱，不易测量，受背景噪声影响大；此外，除被测镜头的像差以外，测量中使用的显微物镜等光学元件冗余，同样会引入未知的像差并影响最终测量结果；系统探测到的是二维点扩散函数，其分辨率受到物镜数值孔径、CCD象元尺寸等因素限制，精度较低；大数值孔径物镜测量时，转台和平移导轨等机构复杂，精度低。

上述几种方法主要应用于物镜数值孔径相对不大情况下的检测。而超分辨光学显微镜系统中使用的物镜，为平场复消色差、大数值孔径(NA1.45)物镜，是接近衍射极限的光学系统，对于这类物镜的成像质量测量和评价，上述方法仍有很大的局限性。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷提供一种可实现对大数值孔径物镜成像质量的定量测量与评估的基于点扩散函数测量的物镜检测装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置，包括激光器、可变单色滤光片转轮、扩束镜、分光镜、物镜、三维纳米位移台、透镜、探测器及计算机，所述激光器可出射宽波段白激光、所述可变单色滤光片转轮可选择地透射不同波长的单色光，所述三维纳米位移台上固定有金纳米粒子，所述三维纳米位移台及所述探测器分别电性连接于所述计算机，所述计算机可控制所述三维纳米位移台移动，其中：

所述激光器出射的宽波段白激光经所述可变单色滤光片转轮后形成包括若干波长的单色激光束，所述单色激光束经所述扩束镜准直后再通过所述分光镜入射进入所述物镜，所述单色激光束经所述物镜聚焦后在其焦点处形成三维分布的光斑，所述三维分布的光斑呈PSF分布；

位于所述物镜焦点处的金纳米粒子经所述光斑照射后产生散射的激光信号，所述激光信号再依次经所述物镜及所述分光镜后入射进入所述透镜，所述透镜汇聚所述激光信号并经所述探测器探测形成的探测信号记录于所述计算机中；

所述计算机控制纳米位移台移动，并带动所述金纳米粒子在所述PSF所在的空间区域内移动，实现所述金纳米粒子在PSF分布区域的三维扫描，并建立所述探测信号与所述金纳米粒子的三维位置信息的对应关系，实现PSF的三维测量。

在其中一些实施例中，所述激光器为宽波段超连续谱激光器。

在其中一些实施例中，依次经所述扩束镜、所述分光镜后入射进入所述物镜的单色激光束的光斑直径大于所述物镜的光瞳直径。