专利名称：基于量子统计的高精度光学成像装置与方法
技术领域：
本发明属于光学成像和光学检测技术领域，具体涉及一种基于量子统计的光学成像装置与方法，该光学成像方法具有突破瑞利散射极限的高精度。
背景技术：
利用光学方式分辨两个物 体的精度受制于瑞利散射极限，其分辨本领与所用光的波长有关。如利用可见光作为探测光源，一般分辨精度在数百个纳米。而现阶段在各种研究和应用中，经常遇到尺度在100纳米以下的分辨。在这种情况下，普通光学探测方式已经无能为力。因此，一种解决方式是利用各种昂贵的实验仪器，如原子力显微镜，近场光学扫描显微镜或者扫描电子显微镜等。另外一种方式，就是利用处在不同位置的物体所辐射的光学信号在某些属性上的可分辨性实现成像和分辨，如受激发射损耗显微技术(stimulatedemission depletion, STED),光激活定位显微技术(photoactivated localizationmicroscopy, PALM),随机光学重构显微技术(stochastic optical reconstructionmicroscopy, STORM)和饱和结构照明显微技术(saturated structure illuminationmicroscopy, SSIM)。然而，其精度往往受制于其探测光的某些光学属性的限制。如果不同点发射的光的属性完全相同或相近，以上各种方法就不能使用。同时以上各种方法都需要复杂的光学和电子学系统来支持。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明所要解决的技术问题是当前的光学成像方法受到探测光的光学属性的限制，不能达到100纳米以下的分辨率。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提出一种基于量子统计的光学成像装置，包括激光共聚焦显微装置、单光子计数统计装置和主控装置，其中，激光共聚焦显微装置用于激发样品并收集样品发射的荧光，并将该荧光导入所述单光子计数统计装置；单光子计数统计装置用于接收来自激光共聚焦显微装置的荧光信号，产生多个单光子计数信号和多光子符合计数信号，并向主控装置输出多个单光子计数信号和多光子符合计数信号，所述多个单光子计数信号和多光子符合计数信号用于重构样品图像；主控装置分别连接于所述激光共聚焦显微装置和单光子计数统计装置，用于产生控制信号并分别输出给激光共聚焦显微装置和单光子计数统计装置，以控制激光共聚焦显微装置的共聚焦扫描与单光子计数统计装置的数据采集同步。根据本发明的一种具体实施方式
，所述单光子计数统计装置包括两个单光子探测器、一个延时器、一个光子符合计数装置和一个多通道分析仪，所述两个单光子探测器根据输入的荧光信号分别产生单光子计数信号；所述光子符合计数装置用于根据上述两个单光子计数信号产生双光子符合计数信号和时间幅度转换信号。
根据本发明的一种具体实施方式
，所述光子符合计数装置包括两个输入端和两个输出端，两个输入端分别用于输入由所述光子探测器产生的单光子计数信号，其中一个输入端与所述光子探测器之间具有一个延时装置，两个输出端分别用于输出时间幅度转换信号和双光子符合计数信号。根据本发明的一种具体实施方式
，所述延时装置是加长的信号线。根据本发明的一种具体实施方式
，所述时间幅度信号输出到多通道分析仪，所述多通道分析仪用于对多个时间幅度转换信号进行统计，得到双光子符合计数信号的强度与所述两个单光子计数信号之间的时间间隔的关系，以确定双光子符合计数的零点位置。
本发明还提出一种基于量子统计的光学成像方法，包括如下步骤将激光照射到样品上；对样品上发射的荧光进行单光子计数，产生多个单光子计数信号；根据所述多个单光子计数信号产生多光子符合计数信号；对多光子符合计数信号和多个单光子计数信号的强度图像进行处理，获得分辨率小于瑞利极限的样品图像。根据本发明的一种具体实施方式
，所述多光子符合计数信号包括N个光子的符合计数信号、N-I个光子的符合计数信号、……、2个光子的符合计数信号，其中N为发光点的个数。根据本发明的一种具体实施方式
，使用公式
权利要求
1.一种基于量子统计的光学成像装置，其特征在于，包括激光共聚焦显微装置(I)、单光子计数统计装置(2)和主控装置(3)，其中， 激光共聚焦显微装置(I)用于激发样品并收集样品发射的荧光，并将该荧光导入所述单光子计数统计装置(2); 单光子计数统计装置(2)用于接收来自激光共聚焦显微装置(I)的荧光信号，产生多个单光子计数信号和多光子符合计数信号，并向主控装置(3)输出多个单光子计数信号和多光子符合计数信号，所述多个单光子计数信号和多光子符合计数信号用于重构样品图像； 主控装置(3)分别连接于所述激光共聚焦显微装置(I)和单光子计数统计装置(2)，用于产生控制信号并分别输出给激光共聚焦显微装置(I)和单光子计数统计装置(2)，以控制激光共聚焦显微装置(I)的共聚焦扫描与单光子计数统计装置(2)的数据采集同步。
2.如权利要求I所述的基于量子统计的光学成像装置，其特征在于，所述单光子计数统计装置(2)包括两个单光子探测器(D1、D2)、一个延时器(DL)、一个光子符合计数装置(TAC)和一个多通道分析仪(MCA)， 所述两个单光子探测器(D1、D2)根据输入的荧光信号分别产生单光子计数信号； 所述光子符合计数装置(TAC)用于根据上述两个单光子计数信号产生双光子符合计数信号和时间幅度转换信号。
3.如权利要求2所述的基于量子统计的光学成像装置，其特征在于，所述光子符合计数装置(TAC)包括两个输入端和两个输出端，两个输入端分别用于输入由所述光子探测器(DU D2)产生的单光子计数信号，其中一个输入端与所述光子探测器之间具有一个延时装置(DL)，两个输出端分别用于输出时间幅度转换信号和双光子符合计数信号。
4.如权利要求3所述的基于量子统计的光学成像装置，其特征在于，所述延时装置(DL)是加长的信号线。
5.如权利要求2所述的基于量子统计的光学成像装置，其特征在于，所述时间幅度信号输出到多通道分析仪(MCA)中，所述多通道分析仪(MCA)用于对多个时间幅度转换信号进行统计，得到双光子符合计数信号的强度与所述两个单光子计数信号之间的时间间隔的关系，以确定双光子符合计数的零点位置。
6.一种基于量子统计的光学成像方法，其特征在于，包括如下步骤 将激光照射到样品上； 对样品上发射的荧光进行单光子计数，产生多个单光子计数信号； 根据所述多个单光子计数信号产生多光子符合计数信号； 对多光子符合计数信号和多个单光子计数信号的强度图像进行处理，获得分辨率小于瑞利极限的样品图像。
7.如权利要求6所述的基于量子统计的光学成像方法，其特征在于，所述多光子符合计数信号包括N个光子的符合计数信号、N-I个光子的符合计数信号、……、2个光子的符合计数信号，其中N为发光点的个数。
8.如权利要求6所述的基于量子统计的光学成像方法，其特征在于，使用公式
9.如权利要求6所述的基于量子统计的光学成像方法，其特征在于，所述双光子符合计数的取样窗口宽度设置为小于突光寿命的5倍。
10.如权利要求9所述的基于量子统计的光学成像方法，其特征在于，所述双光子符合计数的取样窗口宽度为2ns。
全文摘要
本发明公开了一种基于量子统计的光学成像装置，包括激光共聚焦显微装置(1)、单光子计数统计装置(2)和主控装置(3)，其中，激光共聚焦显微装置(1)用于激发样品并收集样品发射的荧光，并将该荧光导入所述单光子计数统计装置(2)；单光子计数统计装置(2)用于接收来自激光共聚焦显微装置(1)的荧光信号，产生多个单光子计数信号和多光子符合计数信号，并向主控装置(3)输出多个单光子计数信号和多光子符合计数信号；主控装置(3)分别连接于所述激光共聚焦显微装置(1)和单光子计数统计装置(2)，用于产生控制信号并分别输出给激光共聚焦显微装置(1)和单光子计数统计装置(2)，以控制激光共聚焦显微装置(1)的共聚焦扫描与单光子计数统计装置(2)的数据采集同步。本发明能提供相邻物体的高精度成像和分辨，其精度不受瑞利极限限制。
文档编号G02B21/36GK102902056SQ20121036458
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者孙方稳, 崔金明, 郭光灿 申请人:中国科学技术大学