专利名称：基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于高精度、超分辨显微领域，特别涉及一种基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的方法和装置。
背景技术：
在超分辨显微系统当中，待测样品需要放置在显微物镜的焦平面处。然而，在扫描过程中，由于热漂移和应力漂移等因素的影响，待测样品不可避免地会随时间发生轴向漂移，偏离焦平面，从而严重影响显微系统的成像精度。特别是对于需要多次对同一像素点进行重复扫描的显微方法来说，这种轴向漂移所带来的影响将更为明显，这是因为轴向漂移可能导致多次重复扫描的并非为同一像素点。因此，为了提高显微系统的测量精度，必须在系统中实时地跟踪待测样品的轴向位置，并对产生的轴向漂移进行校正，以保证待测样品的轴向位置一直处于显微物镜的焦平面处。随着科学技术的发展，科研工作者们针对显微系统中的样品跟踪方法进行了大量的研究。2004年，专利号为ZL200410006359. 6的中国发明专利提出了一种具有高空间分辨力的差分共焦扫描检测方法，该方法虽然部分解决了显微样品轴向位置的跟踪问题，可以较好地提高显微系统的测量精度，并且有效地了避免系统中所用激光的能量漂移对跟踪效果的影响，但是该方法的测量范围较小，从而使得其在使用上仍然具有较大的局限性。
发明内容
本发明提供了一种对显微样品轴向位置进行跟踪校正的方法和装置，不但使用方便，而且跟踪范围大，灵敏度高,校正准确，其中，跟踪灵敏度达到2nm,跟踪范围达到 ± I μ m。该种方法和装置可以广泛应用于共聚焦显微镜(Confocal Microscopy),受激发射损耗显微镜(STED !Stimulated Emission Depletion Microscopy)等高精度超分辨显微设备当中，用以保证待测样品一直位于显微物镜的焦平面处。一种基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的方法，包括以下步骤(I)由激光器发出的激光光束经过单模光纤和准直透镜进行准直；(2)经过准直后的光线通过起偏器转换为线偏振光，再经过偏振转换器转变为第一切向偏振光，所述第一切向偏振光横截面上各点的偏振方向呈轴对称分布，对称轴方向与所述起偏器的透光轴平行；(3)所述第一切向偏振光通过一个0/ π位相分割线与所述起偏器的透光轴方向垂直的ο/π位相板(即所述ο/π位相板的ο/π位相分割线与所述第一切线偏振光对称轴方向垂直)形成第二切向偏振光，所述第二切向偏振光横截面上各点的偏振方向不仅关于原对称轴(即步骤(2)中第一切向偏振光的对称轴)对称，而且关于所述ο/π位相板的位相分割线对称；换言之,所述第二切向偏振光横截面上各点的偏振方向同时关于两条对称轴对称，其中一条对称轴的方向与起偏器的透光轴方向平行，另外一条对称轴的方向与0/ η位相板的0/位相分割线平行，由于0/位相板的0/位相分割线与所述起偏器的透光轴方向垂直，因此两条对称轴互相垂直；(4)所述第二切向偏振光经空间滤波组件滤去光束中的杂散光后，再通过3/4遮挡板，使得只有1/4的光束透过形成非对称入射光束；(5)所述非对称入射光束经过分光棱镜后，透射光线经显微物镜聚焦后投射到位于三维纳米扫描平台的待测样品上，同时经待测样品反射的光束沿原光路逆向返回，由所述显微物镜收集后，经所述分光棱镜分解得到反射光线并作为监控光束；(6)所述监控光束经监控光束聚焦透镜聚焦后，由光电感应器件接收，根据所接收到的监控光束聚焦光斑的信息得到监控光束聚焦光斑的重心偏移量(即监控光束聚焦光斑的重心相对于光电感应器件感应面中心的漂移量)，并标定监控光束聚焦光斑的重心偏移量与待测样品的轴向位置漂移量的关系，把这个关系式作为系统标定函数输入计算机， 完成系统的标定；(7)当待测样品发生轴向位置漂移时，计算机根据所测得的监控光束聚焦光斑的重心偏移量在标定好的系统内跟踪查询到相应的待测样品的轴向位置漂移量，并据此发出指令调整三维纳米扫描平台的轴向位置，实现对待测样品的轴向位置的校正。所述的光电感应器件为高速电荷稱合器件(CCD :Charge Couple Device)或者四象限探测器(QD Quadrant Detector)。当使用CCD作为光电感应器件时，所述的监控光束聚焦光斑的信息为监控光束在 CXD上所成光斑的重心坐标，通过与光电感应器件感应面中心坐标的比较，可得到监控光束聚焦光斑的重心偏移量。当使用QD作为光电感应器件时，所述的监控光束聚焦光斑的信息为光束在QD四象限上的输出电流，通过计算四象限电流差分值，来表征监控光束聚焦光斑重心偏移量。本发明还提供了一种基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的装置，包括激光器；在所述激光器的出射光光路的光轴上依次设置的单模光纤、准直透镜、起偏器、偏振转换器、0/ 位相板、空间滤波组件、3/4遮挡板、分光棱镜、显微物镜和用于放置待测样品的二维纳米扫描平台；在监控光束光路的光轴上依次设置的监控光束聚焦透镜和光电感应器件，所述监控光束光路的光轴与所述激光器的出射光光路的光轴垂直，所述监控光束为待测样品反射回来的光束经所述分光棱镜分光后的反射光线；以及同时与所述三维纳米扫描平台和光电感应器件均相连的计算机；其中，所述单模光纤的出射端面位于所述准直透镜的物方焦点处，所述0/位相板的O/Ji位相分割线与所述起偏器的透光轴方向垂直，所述光电感应器件位于所述监控光束聚焦透镜的像方焦点处。本发明装置中，所述激光器用于发出激光光束，所述单模光纤和准直透镜用于对所述激光光束进行准直，所述偏振起偏器用于将所述准直后的光束转换为线偏振光，所述偏振转换器用于将所述线偏振光转换为第一切向偏振光，所述第一切向偏振光横截面上各点的偏振方向呈轴对称分布，对称轴方向与所述起偏器的透光轴平行；所述O/Ji位相板用于对所述第一切向偏振光进行相位调制得到第二切向偏振光，所述第二切向偏振光横截面上各点的偏振方向不仅关于原对称轴(即第一切向偏振光的对称轴)对称，而且关于所述 O/π位相板的位相分割线对称；所述空间滤波组件用于滤去所述第二切向偏振光中的杂散光，所述3/4遮挡板用于对滤波后的第二切向偏振光进行遮挡，使只有1/4的光束透过形成非对称入射光束；所述分光棱镜用于分光；所述显微物镜，用于将非对称入射光束聚焦到位于三维纳米扫描平台的待测样品上，并用于收集经待测样品表面反射的光束；所述监控光束聚焦透镜用于将监控光束聚焦到光电感应器件的感应面上；所述光电感应器件用于接收监控光束并提供监控光束聚焦光斑的信息来表征监控光束聚焦光斑的重心偏移量；所述计算机用于接收光电感应器件反馈的监控信息并进行分析处理，实现待测样品的轴向漂移量的监控并发出调整控制信号；所述三维纳米扫描平台用于根据所述计算机发出的调整控制信号来调整扫描平台上待测样品的轴向位置。优选的技术方案，所述偏振转换器为瑞典(ARCoptix)公司的偏振转换器 Radial-Azimuthal Polarization Converter。优选的技术方案中，所述光电感应器件为高速电荷耦合器件((XD :Charge Couple Device)或者四象限探测器(QD Quadrant Detector)。优选的技术方案中，所述空间滤波组件由聚焦透镜、空间滤波器和第二准直透镜构成。其中，优选所述空间滤波器采用针孔。本发明原理如下第二切向偏振光横截面上各点的偏振方向同时关于两条相互垂直的对称轴对称， 该切向偏振光横截面将会被两条相互垂直的暗线分割成四个部分。因此，当所述第二切向偏振光通过3/4遮挡板的时候，遮挡板的边缘将正好对应该切向偏振光横截面上的暗线， 这样就避免了边缘光线的衍射对跟踪结果的影响。通过3/4遮挡板形成的非对称入射光束经显微物镜聚焦后在焦点附近的光场分
布可由德拜积分确定，具体如下
权利要求
1.一种基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)由激光器发出的激光光束经过单模光纤和准直透镜进行准直；(2)经过准直后的光线通过起偏器转换为线偏振光，再经过偏振转换器转变为第一切向偏振光，所述第一切向偏振光横截面上各点的偏振方向呈轴对称分布，对称轴方向与所述起偏器的透光轴平行；(3)所述第一切向偏振光通过一个0/η位相分割线与所述起偏器的透光轴方向垂直的0/ 31位相板形成第二切向偏振光；(4)所述第二切向偏振光经空间滤波组件滤去光束中的杂散光后，再通过3/4遮挡板， 使得只有1/4的光束透过形成非对称入射光束；(5)所述非对称入射光束经过分光棱镜后，透射光线经显微物镜聚焦后投射到位于三维纳米扫描平台的待测样品上，同时经待测样品反射的光束沿原光路逆向返回，由所述显微物镜收集后，经所述分光棱镜分解得到反射光线并作为监控光束；(6)所述监控光束经监控光束聚焦透镜聚焦后，由光电感应器件接收，根据所接收到的监控光束聚焦光斑的信息得到监控光束聚焦光斑的重心偏移量，并标定监控光束聚焦光斑的重心偏移量与待测样品的轴向位置漂移量的关系，把这个关系式作为系统标定函数输入计算机，完成系统的标定；(7)当待测样品发生轴向位置漂移时，计算机根据所测得的监控光束聚焦光斑的重心偏移量在标定好的系统内跟踪查询到相应的待测样品的轴向位置漂移量，并据此发出指令调整三维纳米扫描平台的轴向位置，实现对待测样品的轴向位置的校正。
2.如权利要求I所述的基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的方法，其特征在于，所述的光电感应器件为高速电荷耦合器件或者四象限探测器。
3.一种基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的装置，包括激光器；在所述激光器的出射光光路的光轴上依次设置的单模光纤、准直透镜、起偏器、偏振转换器、0/ π位相板、空间滤波组件、3/4遮挡板、分光棱镜、显微物镜和用于放置待测样品的三维纳米扫描平台；所述偏振转换器用于将所述线偏振光转换为第一切向偏振光，所述第一切向偏振光横截面上各点的偏振方向呈轴对称分布，对称轴方向与所述起偏器的透光轴平行；在监控光束光路的光轴上依次设置的监控光束聚焦透镜和光电感应器件，所述监控光束光路的光轴与所述激光器的出射光光路的光轴垂直，所述监控光束为待测样品反射回来的光束经所述分光棱镜分光后的反射光线；以及同时与所述三维纳米扫描平台和光电感应器件均相连的计算机；其中，所述单模光纤的出射端面位于所述准直透镜的物方焦点处，所述0/π位相板的 0/ 位相分割线与所述起偏器的透光轴方向垂直，所述光电感应器件位于所述监控光束聚焦透镜的像方焦点处。
4.如权利要求3所述的基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的装置，其特征在于，所述的光电感应器件为高速电荷耦合器件或者四象限探测器。
5.如权利要求3所述的基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的装置，其特征在于，所述空间滤波组件由聚焦透镜、空间滤波器和第二准直透镜构成。
6.如权利要求3所述的基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的装置，其特征在于，所述空间滤波器采用针孔。
全文摘要
本发明公开了一种基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的方法和装置。装置包括激光器、单模光纤、准直透镜、起偏器、偏振转换器、0/π位相板、空间滤波组件、3/4遮挡板、分光棱镜、显微物镜、监控光束聚焦透镜、光电感应器件、计算机和三维纳米扫描平台。方法包括将准直光束转换为横截面上各点的偏振方向同时关于两条互相垂直的对称轴对称的第二切向偏振光，并形成非对称入射光束聚焦后投射到样品上；同时收集样品反射的光束作为监控光束，根据监控光束的聚焦光斑的重心偏移量来监控样品轴向位置漂移并跟踪校正样品轴向位置。本发明可用于高精度超分辨显微镜系统中样品轴向位置的实时监控和校正。
文档编号G01B9/04GK102589428SQ20121001426
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者刘旭, 匡翠方, 李帅, 罗丁 申请人:浙江大学