[发明专利]高分辨率和高成像速度的合成孔径相位显微系统和方法

说明书

本发明提供一种高分辨率和高成像速度的合成孔径相位显微(HISTR‑SAPM)系统和方法，用于材料科学和生物研究中新兴应用，包括但不限于分析亚波长结构材料和定量分析高速细胞动力学。该系统包括沿样品入射的第一照明光束和作为参考光的第二照明光束组成的马赫－曾德尔干涉仪。其中，数位微镜装置(DMD)接收第一照明光束并投射出不同角度的样品照明光束，透射样品之后被显微物镜接收，与准直的参考光束干涉，在相机上形成干涉图，利用对不同照明光角度下形成的干涉图的频谱分析和孔径合成，实现高分辨且快速的定量相位成像。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月27日提交的美国临时申请序列号62/954,164 的权益，该美国临时申请的所有公开内容(包括所有附图、表格和附图) 以全文引用的方式并入本文。

背景技术

长期以来，材料科学和生物成像研究一直在寻找一种高分辨率和高成像速度的成像方法。相关应用包括对集成光电子学中广泛使用的大面积亚波长结构和光学超表面的检查，监控快速半导体湿蚀刻和微液滴蒸发动态，观察大细胞群中活细胞动态，以及追踪细胞的高速运动。由于低通量和低速度，用扫描电子显微镜和原子力显微镜对大面积样品进行成像是不现实的。常规宽场显微镜的分辨率不足以分辨薄且透明的亚波长结构和活细胞，荧光显微镜要求对样品进行标记且相对速度也较慢。因此，非入侵式和无标记的相位成像被越来越多地应用在这些场景下。

由于宽场相位成像的分辨率被衍射极限限制在λ/NA，合成孔径显微 (SyntheticAperture Microscopy,SAM)方法常被用于提高相干相位成像的分辨率。实现SAM的方法包括旋转样品，基于振镜的光束扫描和光源平移；包括使用垂直腔面发射激光器阵列，空间光调制器的角度复用SAM和空间复用SAM。但目前为止，SAM能够分辨的最小周期结构为460nm，最快的速度也不超过20帧每秒(fps)。

发明内容

在本领域中仍然需要更快以及分辨率更高的合成孔径相位成像技术。

本发明的实施例涉及高分辨率和高成像速度的用于材料科学和生物研究成像的合成孔径相位显微镜。

根据本发明的实施例，一种高分辨率和高成像速度的合成孔径相位显微系统可以包括：照明源，所述照明源产生照明光束；光纤耦合器，所述光纤耦合器具有耦合到所述照明源以接收所述照明光束的输入端，并被配置为提供第一照明光束以从第一输出端输出沿着样品照明光路传播和第二照明光束以从第二输出端输出沿着参考光路传播；第一镜，所述第一镜被设置在所述样品照明光路中，接收并反射来自所述第一照明光束；第一数位微镜装置(DMD)，所述第一DMD被设置在所述样品照明光路中，接收来自所述第一镜的照明光束，并且根据加载图像投射出不同角度的样品照明光束；第一透镜，所述第一透镜被设置在所述样品照明光路中，接收来自所述第一DMD的样品照明光束；第二DMD，所述第二DMD被设置在所述样品照明光路中，接收来自所述第一透镜的样品照明光束；第二镜，所述第二镜被设置在所述样品照明光路中，接收并反射来自所述第二DMD 的样品照明光束；第二透镜和第三透镜，所述第二透镜和第三透镜被串联设置在所述样品照明光路中，接收来自所述第二镜的样品照明光束；第一扫描显微物镜，所述第一扫描显微物镜被设置在所述样品照明光路中，与所述样品相邻，接收来自第三透镜的光束并投射到所述样品上进行成像；第二扫描显微物镜，所述第二扫描显微物镜被设置在所述样品照明光路中，与所述样品相邻并与所述第一扫描显微物镜相对，接收透射过所述样品的光；第四透镜，所述第四透镜被设置在所述样品照明光路中，接收来自第二扫描显微物镜的样品光束；分束器，所述分束器被设置在所述样品照明光路和参考光路中，同时接收并合并来自于所述第四透镜的样品成像光束和来自所述光纤耦合器的第二照明光束(参考光束)，使得准直的参考光束和样品成像光束彼此干涉以在最终像平面处形成干涉图。