專利名稱:強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及成像技術(shù)，特別是一種能獲得高分辨率圖像的強(qiáng)度 關(guān)聯(lián)量子成像顯微鏡。
背景技術(shù)：
在許多科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)診斷中，高分辨率顯微鏡是必不可少的探測(cè) 工具之一。長期以來，人們一直致力于提高顯微成像系統(tǒng)的分辨能力。 根據(jù)阿貝爾原理和瑞利判據(jù)，基于透鏡的光學(xué)顯微鏡的分辨率取決于入 射光的波長和物鏡的數(shù)值孔徑。因此具有高數(shù)值孔徑的物鏡是獲得高分 辨率圖像的關(guān)鍵因素之一。然而，在許多實(shí)際應(yīng)用中，顯微設(shè)備的探測(cè) 環(huán)境會(huì)限制高數(shù)值孔徑透鏡的使用。例如，醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡對(duì)人體體腔 和臟器內(nèi)腔進(jìn)行直接觀察和診斷治療時(shí)，為減輕患者的痛苦，其鏡身(插 入人體的導(dǎo)管)要做到盡可能的細(xì)，直徑一般在毫米量級(jí)。電子內(nèi)窺鏡
的探頭部分由物鏡和光電耦合器CCD組成，其它特殊的工作環(huán)境，物鏡 的孔徑也必須很小，導(dǎo)致透鏡數(shù)值孔徑的降低，進(jìn)而影響到圖像分辨率 的提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有的某些顯微成像裝置受到探測(cè)環(huán)境的限制而無法 使用高數(shù)值孔徑物鏡的缺陷，本實(shí)用新型提供一種強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像顯 微鏡，該顯微鏡在保持包含目標(biāo)物體的探測(cè)臂的物鏡口徑不變的情況下， 通過增加參考臂成像透鏡的數(shù)值孔徑，實(shí)現(xiàn)高分辨率的圖像。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下-
一種強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像顯微鏡，其特點(diǎn)是包括一脈沖光源，該脈沖 光源發(fā)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 方向依次是待測(cè)物體、物臂成像透鏡和物臂探測(cè)器構(gòu)成的物臂，所述的
物臂探測(cè)器位于所述的物臂成像透鏡的像平面；在所述的反射光束方向 依次是虛擬平面、參考臂成像透鏡和參考臂探測(cè)器構(gòu)成參考臂，所述的 參考臂探測(cè)器位于所述的參考臂成像透鏡的像平面；所述的物臂探測(cè)器 和參考臂探測(cè)器分別經(jīng)第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡接計(jì)算機(jī)，該 計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算軟件，該計(jì)算機(jī)通過同步信號(hào)發(fā)生器分別與所 述的脈沖光源、物臂探測(cè)器和參考臂探測(cè)器相連，所述的參考臂成像透 鏡具有高數(shù)值孔徑。
所述的脈沖光源是空間非相干脈沖光源。
本實(shí)用新型的工作過程如下
脈沖式光源發(fā)射的光束經(jīng)過一分束器分成透射光束和反射光束。透 射光束進(jìn)入由待測(cè)物體、物臂成像透鏡和物臂探測(cè)器組成的物臂。待測(cè) 物體與分束器相距為"。，物臂成像透鏡對(duì)待測(cè)物體成像，物臂探測(cè)器位 于物臂成像物鏡的像平面上。所述的反射光束進(jìn)入由參考臂成像透鏡和 參考臂探測(cè)器組成的參考臂。為定義參考臂成像透鏡的位置，我們引入 虛擬平面，其位置與物臂上待測(cè)物體位置大致對(duì)稱即可，當(dāng)完全對(duì)稱時(shí)， 即虛擬平面與分束器距離也為d。，通過強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算獲得圖像效果最佳。 參考臂成像透鏡的對(duì)虛擬平面成像，參考臂探測(cè)器位于參考臂成像透鏡 的像平面上。工作時(shí)，計(jì)算機(jī)控制同步信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)同步觸 發(fā)脈沖式贗熱光源、物臂探測(cè)器和參考臂探測(cè)器。在每一個(gè)脈沖信號(hào)驅(qū) 動(dòng)下，物臂探測(cè)器和參考臂探測(cè)器將探測(cè)到的光強(qiáng)信息經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。經(jīng)過一定量脈沖采樣后，計(jì)算機(jī)對(duì)存
儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算即可重構(gòu)待測(cè)物體的圖像。
所述的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算是將物臂探測(cè)器探測(cè)到的不同位置x,處光的
所有時(shí)刻強(qiáng)度值/,(x,)與參考臂探測(cè)器上對(duì)應(yīng)位置x,處的光強(qiáng)度值/,00 進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算(見J. Cheng and S. Han， Phys. Rev. Lett. 92， 093903， 2004)，
<formula>formula see original document page 5</formula>
得到物臂和參考臂的互相關(guān)強(qiáng)度分布。上式中/(x)是光源的光強(qiáng)分布， /z,(x，;c,)和/U;c,;0分別表示物臂和參考臂的脈沖響應(yīng)函數(shù)。在本實(shí)用新型 中，物臂和參考臂是兩個(gè)獨(dú)立的成像系統(tǒng)。
為簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)，我們只考慮中心波長為/l的準(zhǔn)單色光源和垂直于 ^播方向的橫截面上一維光場(chǎng)傳輸，在傍軸條件下，利用菲涅爾衍射積 分公式獲得的物臂和參考臂的一維脈沖響應(yīng)函數(shù)分別為-
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，義為分束豫兩端面的位置坐標(biāo)，^與、分別為物臂探測(cè)面和參考臂
探測(cè)面的位置坐標(biāo)，x。與;c。分別為物臂待測(cè)物體平面和參考臂虛擬平面
的位置坐標(biāo)；"x。)為待測(cè)物體透過率(或反射率)函數(shù)，d。為待測(cè)物體
和虛擬平面到分束器的距離；M,和M,分別是物臂和參考臂成像系統(tǒng)的
放大率，A和A分別是物臂成像透鏡和參考臂成像透鏡的通光孔徑，
<formula>formula see original document page 5</formula> 和<formula>formula see original document page 5</formula> 分別表示物臂成像透鏡和參考臂成像 透鏡的一維振幅點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。將以上兩式代入到AG(x,，;O中，通過互相 關(guān)運(yùn)算，得強(qiáng)度分布函數(shù)與物體透過率函數(shù)之間的關(guān)系如下
在上式中，其積分內(nèi)核
x)sinc( (x + i) &} sinc((;c + -^~) }
=sinc{(x + ^~)^}sinc{(x + ^~)^}
是兩臂透鏡的一維振幅點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(sinc(x))的乘積，可以作為本顯微系
統(tǒng)新的脈沖響應(yīng)函數(shù)。我們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)上，已經(jīng)證明該新的脈沖響應(yīng)
函數(shù)等價(jià)于壓縮了物臂脈沖響應(yīng)函數(shù)的半高寬，增加了成像系統(tǒng)的通頻
帶寬，能夠獲得更高分辨率的圖像。 本實(shí)用新型的技術(shù)效果
利用強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像技術(shù)將物臂和參考臂兩個(gè)透鏡的振幅點(diǎn)擴(kuò)散 函數(shù)耦合成一個(gè)新的脈沖響應(yīng)函數(shù)，提高物鏡的有效數(shù)值孔徑。物體探 測(cè)和圖像重建分別在物臂和參考臂兩個(gè)不同的光路上實(shí)現(xiàn)，當(dāng)探測(cè)環(huán)境 限制物臂無法使用大尺寸或髙數(shù)值孔徑透鏡時(shí)，可以通過增加不受探測(cè) 環(huán)境影響的參考臂透鏡的數(shù)值孔徑來提高成像的分辨率。


圖l是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中l(wèi)是脈沖式光源；2是分 束器；3為待測(cè)物體；4為物臂成像透鏡；5為物臂探測(cè)器；6是第一數(shù) 據(jù)采集卡；7為參考臂上與待測(cè)物體對(duì)稱的虛擬平面；8是參考臂成像
透鏡；9為參考臂探測(cè)器；IO是第二數(shù)據(jù)采集卡；ll為同步信號(hào)發(fā)生
器；12為計(jì)算機(jī)。
圖2是待測(cè)物體的振幅透過率分布圖。
圖3是物臂探測(cè)器單獨(dú)探測(cè)獲得物體振幅分布曲線。
圖4是在兩臂透鏡完全相同的情況下，通光強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算重構(gòu)的物
體振幅分布曲線
圖5是在保持物臂成像透鏡不變，增加參考臂成像透鏡通光孔徑的 情況下，通過強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算重構(gòu)的物體振幅分布曲線。
圖6是在物臂成像透鏡不變，減小參考臂成像透鏡焦距的情況下， 通過強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算重構(gòu)的物體振幅分布曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制 本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實(shí)用新 型強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像顯微鏡，包括一脈沖光源1，該脈沖光源發(fā)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 待測(cè)物體3、物臂成像透鏡4和物臂探測(cè)器5構(gòu)成的物臂，所述的物臂 探測(cè)器5位于所述的物臂成像透鏡4的像平面；在所述的反射光束方向 依次是虛擬平面7、參考臂成像透鏡8和參考臂探測(cè)器9構(gòu)成參考臂， 所述的參考臂探測(cè)器9位于所述的參考臂成像透鏡8的像平面；所述的 物臂探測(cè)器5和參考臂探測(cè)器9分別經(jīng)第一數(shù)據(jù)采集卡6和第二數(shù)據(jù)采 集卡IO接計(jì)算機(jī)12，該計(jì)算機(jī)12具有強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算軟件，該計(jì)算機(jī)12 通過同步信號(hào)發(fā)生器11分別與所述的光源1、物臂探測(cè)器5和參考臂探 測(cè)器9相連，所述的參考臂成像透鏡8具有高數(shù)值孔徑。
待測(cè)物體3與分束器2相距為d。，物臂成像透鏡4對(duì)待測(cè)物體3成像， 物臂探測(cè)器5位于物臂成像物鏡4的像平面上。所述的反射光束進(jìn)入由參考
臂成像透鏡8和參考臂探測(cè)器9組成的參考臂。為定義參考臂成像透鏡8的 位置，我們引入虛擬平面7，其位置與物臂上待測(cè)物體3位置大致對(duì)稱即可， 當(dāng)完全對(duì)稱時(shí)，即虛擬平面與分束器距離也為dQ，通過強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算獲得圖 像效果最佳。參考臂成像透鏡8的對(duì)虛擬平面成像，參考臂探測(cè)器9位于參 考臂成像透鏡8的像平面上。工作時(shí)，計(jì)算機(jī)12控制同步信號(hào)發(fā)生器11產(chǎn) 生脈沖信號(hào)同步觸發(fā)脈沖式光源l、物臂探測(cè)器5和參考臂探測(cè)器9。在每一 個(gè)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，物臂探測(cè)器5和參考臂探測(cè)器9將探測(cè)到的光強(qiáng)信息經(jīng) 過第一數(shù)據(jù)采集卡6和第二數(shù)據(jù)采集卡10轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)12 中。經(jīng)過一定量脈沖采樣后，計(jì)算機(jī)12對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算即可 重構(gòu)待測(cè)物體3的圖像。
下面通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本實(shí)用新型的技術(shù)效果
實(shí)驗(yàn)中用到的待測(cè)物體是一個(gè)縫寬為90微米，縫間距為180微米的 透射型雙縫，其一維振幅透過率分布如圖2所示。照明光的波長為532 納米。
1、 在物臂成像透鏡4通光孔徑為3毫米，焦距為400毫米，放大率 為1的情況下，通過物臂探測(cè)器5單獨(dú)拍攝到雙縫振幅分布曲線，如圖 3所示。其單縫的半高寬為177微米，和理論上的瑞利判據(jù)S x=0. 61入 /NA"173微米基本吻合，這里NA表示物鏡的數(shù)值孔徑。
2、 保持物臂成像透鏡不變，在參考臂使用一個(gè)和物臂成像透鏡4完 全相同的參考臂成像透鏡8，將兩臂探測(cè)器獲得光強(qiáng)數(shù)值信號(hào)輸入計(jì)算 機(jī)12進(jìn)行強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算得到一個(gè)分辨率較高的圖像圖4。其單縫的半高 寬為130微米，相比于圖3，分辨率提高了 177/130^1. 36倍。
3、 在2的基礎(chǔ)上，增加參考臂成像透鏡8的通光孔徑到6毫米，將 兩臂探測(cè)器獲得光強(qiáng)數(shù)值信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)12進(jìn)行強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算可以得 到更高分辨率的圖像如圖5。其單縫的半高寬為81微米，相比于圖3， 分辨率提高了 177/81^2. 19倍
4、仍然保持物臂成像透鏡不變，在參考臂使用短焦距(250毫米)的 成像透鏡8，通光孔徑為3毫米，放大率為1。將兩臂探測(cè)器獲得光強(qiáng)數(shù) 值信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)12進(jìn)行強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算同樣可以獲得高分辨率的圖像， 如圖6所示。其單縫的半高寬為79微米，相比于圖3，分辨率提高了 177/79^2. 24倍。
權(quán)利要求
1、一種強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像顯微鏡，其特征在于包括一脈沖光源(1)，該脈沖光源(1)發(fā)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測(cè)物體(3)、物臂成像透鏡(4)和物臂探測(cè)器(5)構(gòu)成的物臂，所述的物臂探測(cè)器(5)位于所述的物臂成像透鏡(4)的像平面；在所述的反射光束方向依次是虛擬平面(7)、參考臂成像透鏡(8)和參考臂探測(cè)器(9)構(gòu)成參考臂，所述的參考臂探測(cè)器(9)位于所述的參考臂成像透鏡(8)的像平面；所述的物臂探測(cè)器(5)和參考臂探測(cè)器(9)分別經(jīng)第一數(shù)據(jù)采集卡(6)和第二數(shù)據(jù)采集卡(10)接計(jì)算機(jī)(12)，該計(jì)算機(jī)(12)具有強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算軟件，該計(jì)算機(jī)(12)通過同步信號(hào)發(fā)生器(11)分別與所述的脈沖光源(1)、物臂探測(cè)器(5)和參考臂探測(cè)器(9)相連，所述的參考臂成像透鏡(8)具有高數(shù)值孔徑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像顯微鏡，其特征在于所 述的脈沖光源(1)是空間非相干脈沖光源。
專利摘要
一種強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像顯微鏡，其特點(diǎn)是包括一脈沖光源，該脈沖光源發(fā)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測(cè)物體、物臂成像透鏡和物臂探測(cè)器構(gòu)成的物臂，所述的反射光束方向依次是虛擬平面、參考臂成像透鏡和參考臂探測(cè)器構(gòu)成參考臂，所述的物臂探測(cè)器和參考臂探測(cè)器分別經(jīng)第一數(shù)據(jù)采集卡和第二數(shù)據(jù)采集卡接計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算軟件，該計(jì)算機(jī)通過同步信號(hào)發(fā)生器分別與所述的脈沖光源、物臂探測(cè)器和參考臂探測(cè)器相連，所述的參考臂成像透鏡具有高數(shù)值孔徑。本實(shí)用新型通過增加參考臂成像透鏡的數(shù)值孔徑即可以獲得高分辨率的圖像。
文檔編號(hào)G01Q20/02GKCN201203565SQ200820058514
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2008年5月16日
發(fā)明者張鵬黎, 夏 沈, 韓申生, 龔文林 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan