專利名稱：一種基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高精度、超分辨顯微領(lǐng)域，特別涉及一種基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償方法和裝置。
背景技術(shù)：
在顯微系統(tǒng)的工作過程當(dāng)中，由于熱漂移和應(yīng)力漂移等因素的影響，待測樣品不可避免地會(huì)隨時(shí)間發(fā)生軸向漂移，形成離焦，從而對顯微系統(tǒng)的成像精度造成影響。特別是對于需要多次對同一像素點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)掃描的顯微方法來說，這種軸向漂移所帶來的影響將更為明顯，因?yàn)檩S向漂移將導(dǎo)致多次重復(fù)掃描的并非為同一像素點(diǎn)。因此，一種可以實(shí)時(shí)地測量顯微樣品的軸向漂移并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，對于提高顯微系統(tǒng)的精度將具有十分重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科研工作者們提出了多種測量樣品軸向漂移的方法，其中以光學(xué)非接觸測量方法的應(yīng)用最為廣泛。目前，光學(xué)非接觸測量方法多是基于共焦系統(tǒng)。這種系統(tǒng)雖然具有較好的測量精度，但是構(gòu)造比較復(fù)雜，在一定程度上限制了方法的適用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償方法和裝置，裝置結(jié)構(gòu)簡單，方法使用方便，而且具有較高的測量靈敏度。該種方法和裝置可以廣泛應(yīng)用于共聚焦顯微鏡 (Confocal Microscopy)，受激發(fā)射損耗顯微鏡(STED :Stimulated Emission Depletion Microscopy)等高精度超分辨顯微設(shè)備當(dāng)中，用以對待測樣品的軸向位置漂移進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證顯微系統(tǒng)的精度。一種基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償方法，包括以下步驟(1)由激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過單模光纖和準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直；(2)經(jīng)過準(zhǔn)直后的光線經(jīng)過分光棱鏡的作用后，分解為第一反射光線和第一透射光線；(3)所述第一透射光線經(jīng)過由兩個(gè)焦距相同且橫截面相互正交的柱面鏡所構(gòu)成的象散處理器形成第一象散光束；(4)所述第一象散光束通過顯微物鏡聚焦后投射到置于三維納米掃描平臺上的待測樣品之上，經(jīng)待測樣品反射后的光束沿原光路逆向返回，由所述顯微物鏡收集后，再次經(jīng)過所述象散處理器形成第二象散光束；(5)第二象散光束經(jīng)所述分光棱鏡分解為第二透射光線和第二反射光線；(6)所述第二反射光線作為監(jiān)控光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦，再經(jīng)過光衰減器后由光電感應(yīng)器件接收，得到監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)，標(biāo)定監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)與待測樣品的軸向漂移量的關(guān)系，把這個(gè)關(guān)系式作為系統(tǒng)標(biāo)定函數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，完成系統(tǒng)的標(biāo)定；
(7)系統(tǒng)標(biāo)定好后，用于樣品軸向漂移補(bǔ)償當(dāng)待測樣品發(fā)生軸向漂移時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)由所述光電感應(yīng)器件輸出的監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)在標(biāo)定好的系統(tǒng)內(nèi)跟蹤查詢到相應(yīng)的待測樣品的軸向漂移量，并據(jù)此發(fā)出指令調(diào)整三維納米掃描平臺的軸向位置， 實(shí)現(xiàn)對待測樣品的軸向漂移補(bǔ)償。所述的光電感應(yīng)器件為高速電荷耦合器件(CCD =Charge Couple Device)或者四象限探測器(QD:QUadrant Detector)，所述的四象限探測器垂直放置。當(dāng)使用CCD作為光電感應(yīng)器件時(shí)，所述監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)為監(jiān)控光束在CCD上所成聚焦光斑強(qiáng)度分布曲線的半高全寬值。當(dāng)使用QD作為光電感應(yīng)器件時(shí)，QD垂直放置，所述監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)為根據(jù)四象限探測器四象限上的輸出電流計(jì)算得到的四象限輸出電流差分值。本發(fā)明還提供了一種基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償裝置，包括激光器；在所述激光器的出射光光路的光軸上依次設(shè)置的單模光纖、準(zhǔn)直透鏡、分光棱鏡、 象散處理器、顯微物鏡和用于放置待測樣品的三維納米掃描平臺；其中，所述單模光纖的出射端面位于準(zhǔn)直透鏡的物方焦點(diǎn)處，所述象散處理器由焦距相同且橫截面相互正交的兩個(gè)柱面鏡構(gòu)成；在監(jiān)控光束光路的光軸上依次設(shè)置的聚焦透鏡、光衰減器和光電感應(yīng)器件，所述光電感應(yīng)器件位于所述聚焦透鏡的像方焦點(diǎn)處；其中，所述監(jiān)控光束光路的光軸與所述激光器的出射光光路的光軸垂直，所述監(jiān)控光束為由待測樣品反射的光依次被所述顯微物鏡收集和所述象散處理器進(jìn)行象散后再由所述分光棱鏡分光得到的反射光線；以及同時(shí)與所述三維納米掃描平臺和光電感應(yīng)器件均相連的計(jì)算機(jī)。 本發(fā)明裝置中，所述激光器用于發(fā)出激光光束，所述單模光纖和準(zhǔn)直透鏡用于對所述激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，所述分光棱鏡用于分光，所述象散處理器用于對入射光束的光斑形狀進(jìn)行調(diào)制得到象散光束，所述顯微物鏡用于入射的光線聚焦投射到待測樣品上并用于收集經(jīng)待測樣品反射的光束，所述聚焦透鏡用于將監(jiān)控光束聚焦到光電感應(yīng)器件的感應(yīng)面上，所述光衰減器用于進(jìn)行光衰減以避免光電感應(yīng)器件出現(xiàn)光強(qiáng)飽和，所述光電感應(yīng)器件用于接收監(jiān)控光束聚焦光斑并根據(jù)接收信號輸出相應(yīng)的監(jiān)控信息(監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù))，所述計(jì)算機(jī)用于接收光電感應(yīng)器件反饋的監(jiān)控信息并進(jìn)行分析處理后發(fā)出調(diào)整控制信號，所述三維納米掃描平臺用于放置待測樣品并根據(jù)所述計(jì)算機(jī)發(fā)出的調(diào)整控制信號來調(diào)整掃描平臺上待測樣品的軸向位置。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述象散處理器中，第一柱面鏡橫截面與水平面的夾角為 45°，第二柱面鏡橫截面與水平面的夾角為135°。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述象散處理器中，兩個(gè)柱面鏡焦距為150mm。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述光電感應(yīng)器件為高速電荷耦合器件(CCD)或者四象限探測器(QD)。本發(fā)明原理如下對于一個(gè)柱面鏡來說，其橫截面(即徑向截面)可以看成球面透鏡，而縱截面(即軸向截面)則可以看成平板。因此，當(dāng)兩條平行光線在柱面鏡的橫截面內(nèi)入射時(shí)，出射光線會(huì)相交于柱面鏡焦線上的一點(diǎn)；而當(dāng)兩條平行光線在柱面鏡的縱截面內(nèi)入射時(shí)，出射光線
5將仍然保持平行。所以，柱面鏡成像具有象散特性。根據(jù)以上所述柱面鏡的成像性質(zhì)，當(dāng)高斯光束通過單個(gè)柱面鏡之后，出射光束的光斑將會(huì)成橢圓形，且橢圓光斑的長軸與柱面鏡的橫截面垂直。當(dāng)高斯光束通過由兩個(gè)焦距相同且橫截面互相正交的柱面鏡所構(gòu)成的象散處理器之后，出射光束的橢圓光斑形狀將會(huì)隨著出射光束的傳播而發(fā)生變化在第一柱面鏡的像方焦點(diǎn)處，出射光束橢圓光斑的長軸與第一柱面鏡的橫截面垂直；而在第二柱面鏡的像方焦點(diǎn)處，出射光束橢圓光斑的長軸與第二柱面鏡的橫截面垂直。由于兩柱面鏡的橫截面相互正交，因此當(dāng)出射光束由第一柱面鏡的像方焦點(diǎn)傳播到第二柱面鏡的像方焦點(diǎn)時(shí)，光束橢圓光斑的指向(橢圓的長軸方向)轉(zhuǎn)過了 90°。在此過程中，光束橢圓光斑在與第一柱面鏡橫截面垂直方向上的長度將逐漸變短，在與第二柱面鏡橫截面垂直方向上的長度將逐漸變長。當(dāng)高斯光束依次通過由兩個(gè)焦距相同且橫截面互相正交的柱面鏡所構(gòu)成的象散處理器和顯微物鏡之后，出射光束的橢圓光斑的形狀同樣會(huì)隨著出射光束的傳播而發(fā)生變化在第一柱面鏡和顯微物鏡的組合像方焦點(diǎn)處，出射光束橢圓光斑的長軸與第一柱面鏡的橫截面垂直；而在第二柱面鏡和顯微物鏡的組合像方焦點(diǎn)處，出射光束橢圓光斑的長軸與第二柱面鏡的橫截面垂直。由于兩柱面鏡的橫截面相互正交，因此當(dāng)出射光束由第一柱面鏡和顯微物鏡的組合像方焦點(diǎn)傳播到第二柱面鏡和顯微物鏡的組合像方焦點(diǎn)時(shí)，光束橢圓光斑的指向(橢圓的長軸方向)轉(zhuǎn)過了 90°。在此過程中，光束橢圓光斑在與第一柱面鏡橫截面垂直方向上的長度將逐漸變短，在與第二柱面鏡橫截面垂直方向上的長度將逐漸變長。第一柱面鏡和顯微物鏡的組合像方焦點(diǎn)與第二柱面鏡和顯微物鏡的組合像方焦點(diǎn)之間的區(qū)域視為等效焦區(qū)，等效焦區(qū)的軸向長度稱為等效焦深。等效焦深可按如下公式計(jì)算

權(quán)利要求
1.一種基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下步驟(1)由激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過單模光纖和準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直；(2)經(jīng)過準(zhǔn)直后的光線經(jīng)過分光棱鏡的作用后，分解為第一反射光線和第一透射光線.一入 ，(3)所述第一透射光線經(jīng)過由兩個(gè)焦距相同且橫截面相互正交的柱面鏡所構(gòu)成的象散處理器形成第一象散光束；(4)所述第一象散光束通過顯微物鏡聚焦后投射到置于三維納米掃描平臺上的待測樣品之上，經(jīng)待測樣品反射后的光束沿原光路逆向返回，由所述顯微物鏡收集后，再次經(jīng)過所述象散處理器形成第二象散光束；(5)第二象散光束經(jīng)所述分光棱鏡分解為第二透射光線和第二反射光線；(6)所述第二反射光線作為監(jiān)控光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦，再經(jīng)過光衰減器后由光電感應(yīng)器件接收，得到監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)，標(biāo)定監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)與待測樣品的軸向漂移量的關(guān)系，把這個(gè)關(guān)系式作為系統(tǒng)標(biāo)定函數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，完成系統(tǒng)的標(biāo)定；(7)系統(tǒng)標(biāo)定好后，用于樣品軸向漂移補(bǔ)償當(dāng)待測樣品發(fā)生軸向漂移時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)由所述光電感應(yīng)器件輸出的監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)在標(biāo)定好的系統(tǒng)內(nèi)跟蹤查詢到相應(yīng)的待測樣品的軸向漂移量，并據(jù)此發(fā)出指令調(diào)整三維納米掃描平臺的軸向位置，實(shí)現(xiàn)對待測樣品的軸向漂移補(bǔ)償。
2.如權(quán)利要求1所述的基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的光電感應(yīng)器件為高速電荷耦合器件，所述監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)為監(jiān)控光束在所述光電感應(yīng)器件上所成聚焦光斑強(qiáng)度分布曲線的半高全寬值。
3.如權(quán)利要求1所述的基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的光電感應(yīng)器件為垂直放置的四象限探測器，所述監(jiān)控光束聚焦光斑的特征參數(shù)為根據(jù)四象限探測器四象限上的輸出電流計(jì)算得到的四象限輸出電流差分值。
4.一種基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償裝置，其特征在于，包括激光器；在所述激光器的出射光光路的光軸上依次設(shè)置的單模光纖、準(zhǔn)直透鏡、分光棱鏡、象散處理器、顯微物鏡和用于放置待測樣品的三維納米掃描平臺；其中，所述單模光纖的出射端面位于準(zhǔn)直透鏡的物方焦點(diǎn)處，所述象散處理器由焦距相同且橫截面相互正交的兩個(gè)柱面鏡構(gòu)成；在監(jiān)控光束光路的光軸上依次設(shè)置的聚焦透鏡、光衰減器和光電感應(yīng)器件，所述光電感應(yīng)器件位于所述聚焦透鏡的像方焦點(diǎn)處；其中，所述監(jiān)控光束光路的光軸與所述激光器的出射光光路的光軸垂直，所述監(jiān)控光束為由待測樣品反射的光依次被所述顯微物鏡收集和所述象散處理器進(jìn)行象散后再由所述分光棱鏡分光得到的反射光線；以及同時(shí)與所述三維納米掃描平臺和光電感應(yīng)器件均相連的計(jì)算機(jī)。
5.如權(quán)利要求4所述的基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述象散處理器中，第一柱面鏡橫截面與水平面的夾角為45°，第二柱面鏡橫截面與水平面的夾角為 135°。
6.如權(quán)利要求4或5所述的基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述象散處理器中，兩個(gè)柱面鏡焦距為150mm。
7.如權(quán)利要求4所述的基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述光電感應(yīng)器件為高速電荷耦合器件或者四象限探測器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于象散的樣品軸向漂移補(bǔ)償方法和裝置。裝置包括激光器、單模光纖、準(zhǔn)直透鏡、分光棱鏡、由兩個(gè)焦距相同且橫截面相互正交的柱面鏡構(gòu)成的象散處理器、顯微物鏡、三維納米掃描平臺、聚焦透鏡、光衰減器、光電感應(yīng)器件和計(jì)算機(jī)。方法包括將準(zhǔn)直光束經(jīng)上述象散處理器形成第一象散光束，進(jìn)而在待測樣品聚焦后被反射，并再次經(jīng)過上述象散處理器形成第二象散光束，經(jīng)分光棱鏡反射得到監(jiān)控光束，并在經(jīng)聚焦透鏡聚焦后由光電感應(yīng)器件接收，標(biāo)定監(jiān)控光束聚焦光斑與待測樣品的軸向漂移量的關(guān)系并輸入計(jì)算機(jī)用于樣品軸向漂移補(bǔ)償。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，而且具有較高的測量靈敏度，可用于高精度超分辨顯微設(shè)備中。
文檔編號G02B27/58GK102566048SQ201210013620
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者劉旭, 劉鵬, 匡翠方, 李帥, 酈龍 申請人:浙江大學(xué)