[发明专利]基于多偏振与照明模式的超分辨显微成像方法与装置

说明书

本发明公开了一种基于多偏振与照明模式的超分辨显微成像方法与装置，本发明基于多偏振光束的相干合成与大数值孔径物镜的聚焦实现了对聚焦光斑的三维偏振调控，与现有的偏振成像技术相比，多获取了1个维度的偏振信息，重构得到包含更丰富信息的超分辨图像。本发明在偏振转换的同时加入了照明模式的变换，照明模式的变换能克服光学衍射极限。本发明结合了三维偏振调控与照明模式变换，实现了超分辨显微成像。

技术领域

本发明涉及超分辨显微成像领域，具体地说，涉及一种基于多偏振与照明模式的超分辨显微成像方法与装置。

背景技术

强度、波长、偏振是光的三个基本特性。常规成像只能得到物体的强度与波长信息，光与物体相互作用的反射光与散射光中包含物体自身特性所决定的偏振信息。通过探测偏振信息可以得到双折射、应力、表面粗糙度等常规成像无法检测到的物理信息。偏振成像技术在光学检测、显微成像、拉曼光谱等研究领域有着广泛的应用。常规的偏振成像只能探测x、y二维的偏振信息。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于多偏振与照明模式的超分辨显微成像方法与装置。本发明对大数值孔径物镜的聚焦光斑进行偏振调制，实现了x、y、z三维的偏振信息的获取，同时对照明图案进行调制，通过对多种偏振和照明模式下采集的图像进行后处理得到超分辨显微图像。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明一方面提供了一种基于多偏振与照明模式的超分辨显微成像方法，该方法包括：

将激光器发出的光束准直后用起偏器转为线偏光，入射到第一偏振调制器上调制偏振方向。

被调制的光束被偏振分束器分成x方向与y方向的线偏光。y方向的线偏光被涡旋半波片转为径向偏振光，再通过环形光阑。x方向的线偏光入射到第二偏振调制器上调制偏振方向，被调制的光束被涡旋相位板转为涡旋光束。

两束光由分束器合束，进入共聚焦显微镜中。光束被大数值孔径的物镜聚焦在样品上，数值孔径NA通常大于0.8，反射或散射的光子经过检偏器，被透镜聚焦在与样品共轭的小孔上，被探测器接收。控制扫描机构使光斑在样品表面扫描，得到显微图像。

调整第一偏振调制器和第二偏振调制器的输入，得到不同偏振与照明模式下的显微图像，由后处理算法得到超分辨显微图像。

进一步地，偏振调制的原理如下：经偏振分束器分开的两束光的强度比取决于第一偏振调制器的输入。其中，y方向的线偏光经过涡旋半波片与环形光阑后，光束经过大数值孔径物镜形成的聚焦光斑其偏振以z方向为主。x方向的线偏光经过第二偏振调制器后具有x与y方向两种偏振分量，两种偏振分量的强度比取决于第二偏振调制器的输入，两个方向的偏振光经过大数值孔径物镜形成的聚焦光斑其偏振分别以x和y方向为主。因此，调整第一偏振调制器与第二偏振调制器的输入，得到不同偏振方向的聚焦光斑。

进一步地，偏振调制器的工作流程如下：对第一偏振调制器与第二偏振调制器输入周期电压信号，在一个周期内光束的偏振态由x偏振先逐渐转化为y偏振，再由y偏振逐渐转化为x偏振，其中第二偏振调制器的重复频率远高于第一偏振调制器的重复频率。同时探测器采集光强，每当第一偏振调制器的电压经过一个周期，得到一个对应空间位置的多偏振与照明模式下的强度，扫描机构将光束聚焦在下一个空间位置，进行下一个空间位置的信号采集。当所有空间位置的信号采集完成后，得到多偏振与照明模式的图像。