[发明专利]一种基于外差探测体制的无针孔扫描式共焦显微镜

说明书

该发明公开了一种基于外差探测体制的无针孔扫描式共焦显微镜，属于显微成像领域，特别是激光共焦显微成像领域。本发明的目的是针对背景技术的不足，通过理论分析指出，外差探测体制共焦显微技术中，在无需共轭针孔和针孔前聚焦透镜的情况下，系统的分辨率和直接探测体制共焦显微系统的分辨率相同。基于这一理论省略了共轭针孔和针孔前聚焦透镜，从而消除了现有技术中针孔对共焦显微技术的限制，进一步促进了共焦显微技术的发展。

技术领域

本发明属于显微成像领域，特别是激光共焦显微成像领域。

背景技术

在生物医学及材料学等领域，共焦显微技术已被广泛用于微观样品的三维结构测量。目前共焦显微技术基本都采用直接探测体制，大体分为无限远工作距离系统和有限远工作距离系统，如图1和图2所示。而直接探测体制共焦显微技术存在以下两个难以克服的问题：

第一，探测灵敏度低

众所周知的是，与外差探测体制相比，直接探测体制的灵敏度很低，对微弱信号的探测没有优势。有文献：“I Renhorn,O Steinvall.Performance study of a coherentlaser radar[A].Proc.SPIE,1983,415:39-50”，公开了外差探测的最小可探测功率为10^-13W量级，而直接探测的最小可探测功率为10^-8W量级，即是说直接探测体制的灵敏度比外差探测体制低5个量级。也有分析认为如文献“安毓英,曾晓东,冯喆珺,光电探测与信号处理[M].北京,科学出版社,2010”，若以直接探测为参考，当信号光功率较弱时，外差探测的转换增益可以提高10⁷～10⁸量级。因此目前直接探测体制的共焦显微技术对微弱信号的探测没有优势。尤其是当在光路中加入光瞳滤波技术实现超分辨率成像时(如图1和图2所示)，随着分辨率的提高，信号能量呈指数下降趋势，如文献“Tasso R.de Melo Sales.Phase-only Superresolution Elements:[D].Rochester,University of Rochester,1997”，此时进一步降低了探测系统的灵敏度。因此在直接探测体制共焦显微技术中，很难得到良好的超分辨率效果。

第二，共轭针孔引起的实际应用困难

为了实现轴向层析能力，直接探测体制共焦显微技术必须在探测器前设置共轭针孔，如图1和2所示。但微米量级宽度的共轭针孔引起了如下的一些实际操作困难。首先，当与激光汇聚点对准时，针孔位置即使存在亚微米的偏差，都将产生像差从而导致分辨率下降，如文献“Wilson T,Carlini A.R,“Effect of detector displacement in confocalimaging systems,”Appl.Opt.27(18),3791-3798,(1988).

Shigeharu K.,Wilson T,“Effect of axial pinhole displacement inconfocal microscopes,”Appl.Opt.32(13),2257-2261(1993).”；因此必须对系统安装调试的精度，以及抗振动干扰的能力提出苛刻的要求；其次，实际应用中，即使微小的灰尘落到针孔上，也会引入像差并减弱信号光强度，甚至导致成像失效。而灰尘的擦除又需要拆解共焦显微系统相应的模块，然后重复高精度的对准工作，这增加了共焦显微技术的应用难度。最后，针孔的尺寸越大，虽然接收到的信号光功率越多，却会引起分辨率的下降，如文献“Huayong Ge,Qiushi Ren,Baohua Wang and Wangrong Li,“Influence of pinhole sizeand fiber-optic imaging bundle on resolution in confocal endoscopic imagingsystem,”SPIE.5633:506-513(2004).”，而针孔过小时信号信噪比又会过低，因此实际应用中必须谨慎地设计针孔尺寸，并准确加工针孔的孔径。综上所述，共轭针孔给实际应用增添了较大的实际应用困难。