[发明专利]超振荡环带片共焦成像系统的样品实时定焦装置与方法

说明书

超振荡环带片共焦成像系统的样品实时定焦装置，包括主光路和辅助定焦光路；主光路由激光器、单模光纤、第一准直透镜、超振荡环带片、显微物镜、分光棱镜、管镜、CCD等组成，辅助定焦光路由白光LED光源、Y型多模光纤、第二准直透镜、分光棱镜、色散物镜、光谱仪等组成；其中色散物镜与显微物镜处于同一位置，替换使用；相应的样品实时精确定焦方法：在辅助定焦光路，利用光谱仪获得与样品下表面、超振荡环带片上表面对应的峰值波长；然后利用激光干涉仪对辅助定焦光路精确标定，得到波长‑位移校准关系曲线；最后利用标定后的辅助定焦光路在原位实时测量超振荡环带片和样品之间Z向距离，并垂直移动样品将其定焦至超振荡环带片的最佳焦平面处。

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种超振荡环带片共焦成像系统的样品实时定焦装置与方法。

背景技术

基于超振荡环带片的超分辨光学显微镜是在共焦显微成像装置的基础上将由普通折射透镜或透镜组组成的显微物镜替换为超振荡环带片，使得整个系统微型化、集成化，同时能够实现超分辨扫描成像，该技术的出现来源于两方面原因：

一方面，超振荡环带片的超分辨聚焦基于光学超振荡现象，合理设计超振荡环带片结构可以使超振荡环带片聚焦光场中局部振荡频率高于全局最高傅立叶频率分量，以此实现超分辨聚焦。利用这样的二维衍射光学元件可以不借助倏逝波而实现远场超分辨光学成像，并且在批量化制备和低成本推广上有明显优势，对于光学系统的微型化、集成化十分有利。

另一方面，用于光学显微成像与测量的共焦显微成像装置最早发明于20世纪50年代后期，现已在现代生物及医学成像、工业检测及精密测量、材料科学与纳米技术等领域得到广泛的应用。其结构上的突出特点是采用点照明、点扫描和点探测以及三点的共轭关系(理想共焦成像系统)，引入逐点扫描装置实现宽场光学成像，并且能够有效隔离杂散光得到清晰成像。为了实现光学显微成像系统的微型化、集成化同时提高光学系统的成像分辨率，可以利用超振荡环带片的轻薄性、光场可控性强、设计自由度大、便于集成等优点，将其代替传统共焦显微镜中的传统显微物镜，以实现系统微型化、集成化的技术与方案，达到超分辨聚焦及成像的目的。

2012年，英国研究人员在二元振幅型超振荡环带片的基础上开发出一种基于共焦原理的远场超分辨光学显微成像技术(参见文献：Rogers ET,Lindberg J,Roy T,et al.Asuper-oscillatory lens optical microscope for subwavelength imaging.NatureMaterials,2012,11(5):432-435)，这样的透射式共焦超分辨成像技术可以在二维平面上扫描样品，实现超分辨成像。而为了实现超分辨成像，需要将样品精确定位到显微镜焦点位置，但是这个过程十分缓慢，并且调整精度受到机械的极大限制，降低了整个超分辨光学显微镜的工作效率。

2018年，西安交通大学针对基于超振荡环带片的超分辨共焦扫描光学成像系统中样品的轴向精确定位问题，提出了一种基于结构光照明层析测量原理的定位方法(参见文献：王通.金属膜微纳光学元件衍射聚焦机理与实验研究.陕西：西安交通大学博士学位论文，2018)该方法通过在照明光路引入一维光栅并投影至待测样品表面，同时采用精密位移工作台驱动光栅在横向产生三步步进移相扫描，通过CCD采集不同相位光栅条纹在样品表面的投影图像，对采集到的3幅图像进行数学处理，在探测光场中解调分离出普通像场和层析像场，最后得到轴向层析响应曲线精确定位探测平面位置。这种方法虽然实现了轴向定焦，但是需要分别对样品和超振荡环带片进行扫描定焦，定焦速度慢、精度低，且装置复杂。