专利名称:强度关联量子成像显微镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及成像技术，特别是一种能获得高分辨率图像的强度 关联量子成像显微镜。
背景技术：
在许多科学研究和医学诊断中，高分辨率显微镜是必不可少的探测 工具之一。长期以来，人们一直致力于提高显微成像系统的分辨能力。 根据阿贝尔原理和瑞利判据，基于透镜的光学显微镜的分辨率取决于入 射光的波长和物镜的数值孔径。因此具有高数值孔径的物镜是获得高分 辨率图像的关键因素之一。然而，在许多实际应用中，显微设备的探测 环境会限制高数值孔径透镜的使用。例如，医用电子内窥镜对人体体腔 和脏器内腔进行直接观察和诊断治疗时，为减轻患者的痛苦，其镜身(插 入人体的导管)要做到尽可能的细，直径一般在毫米量级。电子内窥镜
的探头部分由物镜和光电耦合器CCD组成，其它特殊的工作环境，物镜 的孔径也必须很小，导致透镜数值孔径的降低，进而影响到图像分辨率 的提高。
发明内容
为了克服上述现有的某些显微成像装置受到探测环境的限制而无法 使用高数值孔径物镜的缺陷，本实用新型提供一种强度关联量子成像显 微镜，该显微镜在保持包含目标物体的探测臂的物镜口径不变的情况下， 通过增加参考臂成像透镜的数值孔径，实现高分辨率的图像。
本实用新型的技术解决方案如下-
一种强度关联量子成像显微镜，其特点是包括一脉冲光源，该脉冲 光源发出的光束被分束器分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束 方向依次是待测物体、物臂成像透镜和物臂探测器构成的物臂，所述的
物臂探测器位于所述的物臂成像透镜的像平面；在所述的反射光束方向 依次是虚拟平面、参考臂成像透镜和参考臂探测器构成参考臂，所述的 参考臂探测器位于所述的参考臂成像透镜的像平面；所述的物臂探测器 和参考臂探测器分别经第一数据采集卡和第二数据采集卡接计算机，该 计算机具有强度关联运算软件，该计算机通过同步信号发生器分别与所 述的脉冲光源、物臂探测器和参考臂探测器相连，所述的参考臂成像透 镜具有高数值孔径。
所述的脉冲光源是空间非相干脉冲光源。
本实用新型的工作过程如下
脉冲式光源发射的光束经过一分束器分成透射光束和反射光束。透 射光束进入由待测物体、物臂成像透镜和物臂探测器组成的物臂。待测 物体与分束器相距为"。，物臂成像透镜对待测物体成像，物臂探测器位 于物臂成像物镜的像平面上。所述的反射光束进入由参考臂成像透镜和 参考臂探测器组成的参考臂。为定义参考臂成像透镜的位置，我们引入 虚拟平面，其位置与物臂上待测物体位置大致对称即可，当完全对称时， 即虚拟平面与分束器距离也为d。，通过强度关联运算获得图像效果最佳。 参考臂成像透镜的对虚拟平面成像，参考臂探测器位于参考臂成像透镜 的像平面上。工作时，计算机控制同步信号发生器产生脉冲信号同步触 发脉冲式赝热光源、物臂探测器和参考臂探测器。在每一个脉冲信号驱 动下，物臂探测器和参考臂探测器将探测到的光强信息经过数据采集卡 转化为数字信号存储到计算机中。经过一定量脉冲采样后，计算机对存
储的数据进行强度关联运算即可重构待测物体的图像。
所述的强度关联运算是将物臂探测器探测到的不同位置x,处光的
所有时刻强度值/,(x,)与参考臂探测器上对应位置x,处的光强度值/,00 进行相关运算(见J. Cheng and S. Han， Phys. Rev. Lett. 92， 093903， 2004)，
<formula>formula see original document page 5</formula>
得到物臂和参考臂的互相关强度分布。上式中/(x)是光源的光强分布， /z,(x，;c,)和/U;c,;0分别表示物臂和参考臂的脉冲响应函数。在本实用新型 中，物臂和参考臂是两个独立的成像系统。
为简化理论推导，我们只考虑中心波长为/l的准单色光源和垂直于 ^播方向的横截面上一维光场传输，在傍轴条件下，利用菲涅尔衍射积 分公式获得的物臂和参考臂的一维脉冲响应函数分别为-
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，义为分束豫两端面的位置坐标，^与、分别为物臂探测面和参考臂
探测面的位置坐标，x。与;c。分别为物臂待测物体平面和参考臂虚拟平面
的位置坐标；"x。)为待测物体透过率(或反射率)函数，d。为待测物体
和虚拟平面到分束器的距离；M,和M,分别是物臂和参考臂成像系统的
放大率，A和A分别是物臂成像透镜和参考臂成像透镜的通光孔径，
<formula>formula see original document page 5</formula> 和<formula>formula see original document page 5</formula> 分别表示物臂成像透镜和参考臂成像 透镜的一维振幅点扩散函数。将以上两式代入到AG(x,，;O中，通过互相 关运算，得强度分布函数与物体透过率函数之间的关系如下
在上式中，其积分内核
x)sinc( (x + i) &} sinc((;c + -^~) }
=sinc{(x + ^~)^}sinc{(x + ^~)^}
是两臂透镜的一维振幅点扩散函数(sinc(x))的乘积，可以作为本显微系
统新的脉冲响应函数。我们在理论和实验上，已经证明该新的脉冲响应
函数等价于压縮了物臂脉冲响应函数的半高宽，增加了成像系统的通频
带宽，能够获得更高分辨率的图像。 本实用新型的技术效果
利用强度关联量子成像技术将物臂和参考臂两个透镜的振幅点扩散 函数耦合成一个新的脉冲响应函数，提高物镜的有效数值孔径。物体探 测和图像重建分别在物臂和参考臂两个不同的光路上实现，当探测环境 限制物臂无法使用大尺寸或髙数值孔径透镜时，可以通过增加不受探测 环境影响的参考臂透镜的数值孔径来提高成像的分辨率。
图l是本实用新型的结构示意图。图中l是脉冲式光源；2是分 束器；3为待测物体；4为物臂成像透镜；5为物臂探测器；6是第一数 据采集卡；7为参考臂上与待测物体对称的虚拟平面；8是参考臂成像
透镜；9为参考臂探测器；IO是第二数据采集卡；ll为同步信号发生
器；12为计算机。
图2是待测物体的振幅透过率分布图。
图3是物臂探测器单独探测获得物体振幅分布曲线。
图4是在两臂透镜完全相同的情况下，通光强度关联运算重构的物
体振幅分布曲线
图5是在保持物臂成像透镜不变，增加参考臂成像透镜通光孔径的 情况下，通过强度关联运算重构的物体振幅分布曲线。
图6是在物臂成像透镜不变，减小参考臂成像透镜焦距的情况下， 通过强度关联运算重构的物体振幅分布曲线。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制 本实用新型的保护范围。
先请参阅图1，图1是本实用新型的结构示意图。由图可见，本实用新 型强度关联量子成像显微镜，包括一脉冲光源1，该脉冲光源发出的光 束被分束器2分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束方向依次是 待测物体3、物臂成像透镜4和物臂探测器5构成的物臂，所述的物臂 探测器5位于所述的物臂成像透镜4的像平面；在所述的反射光束方向 依次是虚拟平面7、参考臂成像透镜8和参考臂探测器9构成参考臂， 所述的参考臂探测器9位于所述的参考臂成像透镜8的像平面；所述的 物臂探测器5和参考臂探测器9分别经第一数据采集卡6和第二数据采 集卡IO接计算机12，该计算机12具有强度关联运算软件，该计算机12 通过同步信号发生器11分别与所述的光源1、物臂探测器5和参考臂探 测器9相连，所述的参考臂成像透镜8具有高数值孔径。
待测物体3与分束器2相距为d。，物臂成像透镜4对待测物体3成像， 物臂探测器5位于物臂成像物镜4的像平面上。所述的反射光束进入由参考
臂成像透镜8和参考臂探测器9组成的参考臂。为定义参考臂成像透镜8的 位置，我们引入虚拟平面7，其位置与物臂上待测物体3位置大致对称即可， 当完全对称时，即虚拟平面与分束器距离也为dQ，通过强度关联运算获得图 像效果最佳。参考臂成像透镜8的对虚拟平面成像，参考臂探测器9位于参 考臂成像透镜8的像平面上。工作时，计算机12控制同步信号发生器11产 生脉冲信号同步触发脉冲式光源l、物臂探测器5和参考臂探测器9。在每一 个脉冲信号驱动下，物臂探测器5和参考臂探测器9将探测到的光强信息经 过第一数据采集卡6和第二数据采集卡10转化为数字信号存储到计算机12 中。经过一定量脉冲采样后，计算机12对存储的数据进行强度关联运算即可 重构待测物体3的图像。
下面通过实验验证本实用新型的技术效果
实验中用到的待测物体是一个缝宽为90微米，缝间距为180微米的 透射型双缝，其一维振幅透过率分布如图2所示。照明光的波长为532 纳米。
1、 在物臂成像透镜4通光孔径为3毫米，焦距为400毫米，放大率 为1的情况下，通过物臂探测器5单独拍摄到双缝振幅分布曲线，如图 3所示。其单缝的半高宽为177微米，和理论上的瑞利判据S x=0. 61入 /NA"173微米基本吻合，这里NA表示物镜的数值孔径。
2、 保持物臂成像透镜不变，在参考臂使用一个和物臂成像透镜4完 全相同的参考臂成像透镜8，将两臂探测器获得光强数值信号输入计算 机12进行强度关联运算得到一个分辨率较高的图像图4。其单缝的半高 宽为130微米，相比于图3，分辨率提高了 177/130^1. 36倍。
3、 在2的基础上，增加参考臂成像透镜8的通光孔径到6毫米，将 两臂探测器获得光强数值信号输入计算机12进行强度关联运算可以得 到更高分辨率的图像如图5。其单缝的半高宽为81微米，相比于图3， 分辨率提高了 177/81^2. 19倍
4、仍然保持物臂成像透镜不变，在参考臂使用短焦距(250毫米)的 成像透镜8，通光孔径为3毫米，放大率为1。将两臂探测器获得光强数 值信号输入计算机12进行强度关联运算同样可以获得高分辨率的图像， 如图6所示。其单缝的半高宽为79微米，相比于图3，分辨率提高了 177/79^2. 24倍。
权利要求
1、一种强度关联量子成像显微镜，其特征在于包括一脉冲光源(1)，该脉冲光源(1)发出的光束被分束器(2)分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束方向依次是待测物体(3)、物臂成像透镜(4)和物臂探测器(5)构成的物臂，所述的物臂探测器(5)位于所述的物臂成像透镜(4)的像平面；在所述的反射光束方向依次是虚拟平面(7)、参考臂成像透镜(8)和参考臂探测器(9)构成参考臂，所述的参考臂探测器(9)位于所述的参考臂成像透镜(8)的像平面；所述的物臂探测器(5)和参考臂探测器(9)分别经第一数据采集卡(6)和第二数据采集卡(10)接计算机(12)，该计算机(12)具有强度关联运算软件，该计算机(12)通过同步信号发生器(11)分别与所述的脉冲光源(1)、物臂探测器(5)和参考臂探测器(9)相连，所述的参考臂成像透镜(8)具有高数值孔径。
2、 根据权利要求
1所述的强度关联量子成像显微镜，其特征在于所 述的脉冲光源(1)是空间非相干脉冲光源。
专利摘要
一种强度关联量子成像显微镜，其特点是包括一脉冲光源，该脉冲光源发出的光束被分束器分成透射光束和反射光束，所述的透射光束方向依次是待测物体、物臂成像透镜和物臂探测器构成的物臂，所述的反射光束方向依次是虚拟平面、参考臂成像透镜和参考臂探测器构成参考臂，所述的物臂探测器和参考臂探测器分别经第一数据采集卡和第二数据采集卡接计算机，该计算机具有强度关联运算软件，该计算机通过同步信号发生器分别与所述的脉冲光源、物臂探测器和参考臂探测器相连，所述的参考臂成像透镜具有高数值孔径。本实用新型通过增加参考臂成像透镜的数值孔径即可以获得高分辨率的图像。
文档编号G01Q20/02GKCN201203565SQ200820058514
公开日2009年3月4日 申请日期2008年5月16日
发明者张鹏黎, 夏 沈, 韩申生, 龚文林 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan