[发明专利]一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置

说明书

本发明涉及一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置，所述装置包括：激光器、准直扩束系统、偏振态转换系统、幅值型空间光调制器、第一分束器、扫描振镜系统、高数值孔径物镜、样品、白光光源、三维位移台、第二分束器、CCD相机、筒镜、尺寸可变共焦针孔、光电倍增管。本发明针对可能出现的旁瓣较大问题，采用改变共焦针孔尺寸的方式进行旁瓣的切趾，针孔尺寸根据实际聚焦光斑尺寸进行跟进优化，从而抑制噪声。该方法可有效提升共焦显微成像分辨率，且系统结构简单，不需要引入二元光学器件。

技术领域

本发明属于光学显微测量领域，主要涉及一种用于微型器件、表面形貌和生物样品中三维微细结构测量的超精密非接触测量方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，对工业样品及生物样品进行高分辨率的成像已成为制造业和生物行业的发展不可或缺的条件。其中光学显微成像测量方法因其对样品无接触，测量精度高而广泛应用。但是传统的光学显微成像技术空间分辨率受到阿贝瑞利衍射极限的限制，空间分辨率只能达到照明波长的一半。针对这一问题，一系列超分辨光学显微成像技术被提出。其中最具代表性的包括共焦显微成像方法、受激辐射损耗荧光显微技术，结构光照明显微成像技术等。

共焦显微成像凭借着其与样品无接触的特性、较高分辨率以及独特的三维层析特性广泛应用于工业样品三维形貌测量以及生物样品的观测。但是随着超精密加工技术对测量要求的不断提升以及生物界对于更小尺度生物结构的不断探索，传统共焦显微成像的分辨率已经无法满足测量要求。如何实现工业样品表面三维形貌和生物样品结构的高分辨率快速测量是目前工业和生物领域亟待研究的重大问题。

径向偏振光因其独特的偏振特性以及优异的聚焦光斑性能已经被广泛用于共焦显微成像中的照明。径向偏振光在大数值孔径物镜聚焦下，聚焦场的轴向偏振分量的半高宽低于传统艾里斑的半高宽，若提取轴向偏振分量进行样品探测可实现分辨率的提升。利用二元光学元件进行光瞳调制，形成环形孔径照片可以抑制径向偏振光聚焦场的径向分量，提升轴向分量的比重，实现分辨率提升。但是二元光学元件设计过程复杂，对加工精度要求高。

发明内容

本发明设计了一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法及装置，在采用径向偏振光照明的同时，对传统共焦显微成像系统的入瞳面光场分布进行幅值调制。通过在照明路径上引入幅值型空间光调制器，并由计算机控制来实现对入瞳面光场的调制。调制的函数为双曲正弦-高斯函数。通过幅值调制，可以提升聚焦场轴向偏振分量的比例，从而压缩光斑尺寸，提升共焦显微的成像分辨率。针对可能出现的旁瓣较大问题，采用改变共焦针孔尺寸的方法来进行旁瓣的切趾，从而抑制噪声。

本发明的目的是这样实现的：

一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像装置，包括：激光器、准直扩束系统、偏振态转换系统、幅值型空间光调制器、第一分束器、扫描振镜系统、高数值孔径物镜、样品、白光光源、三维位移台、第二分束器、CCD相机、筒镜、尺寸可变共焦针孔、光电倍增管；

其中：准直扩束系统放置于激光器出射端，接着连接偏振态转换系统、幅值型空间光调制器、第一分束器；在第一分束器反射端依次放置扫描振镜系统、高数值孔径物镜；样品位于高数值孔径物镜前焦面且放置于三维位移台上；第二分束器位于第一分束器相对于高数值孔径物镜的透射端；CCD相机放置于第二分束器反射端；筒镜、尺寸可变共焦针孔、光电倍增管依次放置于第二分束器透射端。

进一步地，所述的偏振态转换系统包括偏振片、径向偏振转换器。

进一步地，所述的幅值型空间光调制器可以是透射式或反射式空间光调制器。

一种幅值调制径向偏振照明共焦显微成像方法，包括下列步骤：

(1)激光器发出的线偏振激光经过整形扩束后进入偏振态转换系统变为径向偏振光；

(2)径向偏振光进入幅值型空间光调制器，通过计算机控制空间光调制器对入瞳面的光强进行幅值调制；