[发明专利]一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法

权利要求书

1.一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，其特征在于：所述方法包括步骤为：

步骤S1：在操控光路中，准直扩束后的激光束后经物镜聚焦形成单个光势阱，从而捕获单个介质微球，操控并移动介质微球获得最佳成像效果；

步骤S2：在照明光路中，白光光源经过准直后，经过显微镜，再经过介质微球，对样品进行照明；

步骤S3：利用CCD采集图像，进行成像分析，评估介质微球分辨能力得到高分辨率图像；

根据光镊原理，强聚焦的单个光势阱可捕获介质微球，灵活改变其空间位置，获得最佳成像效果；可使用的介质微球包括折射率为1.46的二氧化硅微球、折射率为1.59的PS微球、折射率为1.9的钛酸钡微球、折射率为2.2的二氧化钛微球；

利用白光照明光源进行照明，得到图像最清晰时即为调焦准确的位置；

其中，为了实现对介质微球的操控，激光经过扩束、准直，与物镜入瞳匹配，最终在物镜焦平面上形成强聚焦光场分布，实现对介质微球的独立操控，以获得最佳成像效果；

由于操控对象为直径几微米到几十微米的介质微球，将聚焦光束与介质微球的相互作用看成电磁散射过程，通过求解麦克斯韦方程组得到介质微球周围散射场分布，再根据动量守恒得到光场作用在介质微球上的辐射力，具体实施过程中，利用T矩阵方法进行计算，在球坐标系中，利用Derby积分，经物镜聚焦后焦点附近的光场可以表示为一系列平面波的叠加，

其中，k和f分别表示介质微球周围介质中的波数与物镜的焦距，α是由物镜决定的光线最大角度，R是介质微球所处空间位置，r是观察位置，单位矢量代表某个平面波分量的波矢，其中(θ,φ)为极角和方位角；l(θ)表示物镜入瞳光束振幅分布，a积分路径终点值，E(r)光场分布，sin(θ)是正弦三角函数，cos(θ)是余弦三角函数，dφdθ表示积分元，π是圆周率；表示单位角度矢量；

为计算方便，将入射场E(r)与散射场E_s(r)展开为一系列球矢量波函数的形式，如下：

其中，m,n表示不同类别球面波矢，利用上标1,3代表球面波矢类别，a，b，c，d为展开系数，由等式(1)确定，过程如下：

对于等式(1)中表示的每一个平面波成分，具有以下关系：

其中，

其中，k表示介质微球周围介质中的波数，α是由物镜决定的光线最大角度，r是观察位置，单位矢量代表某个平面波分量的波矢，其中(θ,φ)为极角和方位角，l(θ)表示物镜入瞳光束振幅分布；m,n表示不同类别球面波矢，和是与Legendre函数相关的函数；

将等式(3)带入等式(6)可以得到入射场的展开系数：

其中，k表示介质微球周围介质中的波数，其中(θ,φ)为极角和方位角，l(θ)表示物镜入瞳光束振幅分布，和是与Legendre函数相关的函数，[ρ₀,φ₀,z₀]是R的柱坐标，J_m(x)是m阶柱贝塞尔函数；

而根据T矩阵方法原理，散射场的展开系数与入射场展开吸入之间的关系可以表示为：

其中，[T]由介质微球决定的T矩阵，此时，入射场与散射场的展开系数已确定，由此可确定入射场合散射场，在此情况下，根据Maxwell应力张量积分可获得聚焦光束施加于粒子的作用力：

其中，S为包含粒子的任意闭合曲面；

通过建立光与介质微球相互作用模型，在此基础上，带入入射光场分布、介质微球折射率、介质微球直径、物镜数值孔径、浸没介质折射率参数，并分析各影响因素对操控效果的影响，利用单光镊有效实现介质微球的独立操控，获得最佳成像质量。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，其特征在于：介质微球可以收集物体更多的高频信息，从而增强成像分辨率。

3.根据权利要求1所述的一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，其特征在于：所有光路均共用同一高倍率显微镜，便于实现介质微球操控，为提高介质微球成像分辨力，采用浸没式测量方式，将介质微球以及待测结构均置于浸没液中进行测量。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法，其特征在于：采用单光镊技术操控介质微球，获得最佳成像质量，利用白光照明光源进行照明，得到图像最清晰时即为调焦准确的位置，CCD采集图像，并进行成像分析，实现高分辨率成像；该方法能够在远场区域，通过面成像方式，实现特征尺寸220nm的微纳结构测量，具有高分辨力、并行、快速测量优点。