CN105929560B - 一种宽带远场超分辨成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带远场超分辨成像装置，本发明通过在近无色散、宽带、衍射受限成像系统中，引入无色散的波前调制模块，实现局域视场范围内的超分辨成像，并利用扫描视场光阑的方式实现大视场超分辨成像。本发明成像装置包括：物镜模块、中继成像模块、用于调制光场相位振幅的波前调制模块。本发明在望远、显微、存储等追求极限分辨能力的光学应用领域具有重要应用前景。
Description
技术领域
本发明属于超分辨成像领域，具体涉及一种宽带远场超分辨成像装置。
背景技术
成像技术发展是推动科技进步的重要驱动力，在物理、化学、生物、材料、医学、生命科学等学科领域产生了广泛并深远的影响。衍射现象作为光波的固有属性，限制了光学成像系统的分辨率，如何突破衍射极限、提高成像系统分辨率成为当今科学研究的热点、难点问题。目前扫描近场光学显微镜、负折射率超透镜等超分辨成像技术在显微成像、微纳光刻等方面取到了一定进步，然而它们无法实现远场的超分辨成像。近年来，通用光场的精细干涉行为，在远场区域可以产生超出光场最高空间频率的信息，这种现象可以用于远场的超分辨成像，但是却面临着工作波长带宽窄的问题。而且当物体尺寸超过视场区域时，由于物体每个位置都将产生高强度旁瓣，会造成某些位置的高强度旁瓣影响其他位置的中心超衍射焦斑，而无法实现大视场的远场超分辨成像。
发明内容
本发明解决的主要技术问题是：针对远场超分辨成像带宽窄、视场小、聚焦能量低等问题，本发明提供一种宽带远场超分辨成像装置。
本发明采用的技术方案为：一种宽带远场超分辨成像装置，自左向右依次沿光线入射方向包括：物镜模块、视场光阑、中继成像模块、波前调制模块和CCD探测器，波前调制模块用于调制光场相位振幅，所述的波前调制模块放置于物镜模块和中继成像模块组合系统的后端出瞳面位置，波前调制模块的有效口径位置和尺寸与出瞳面重合；其中：
所述的波前调制模块包括下述之一：0/π二元位相波前调制模块、0～2π连续位相波前调制模块、0/1振幅波前调制模块，0～1连续振幅波前调制模块，或者是任一位相调制模块与任一振幅调制模块的组合；
所述的0/π二元位相波前调制模块，自左到右沿光线入射方向，包含器件依次为，宽带线偏振起偏器、亚波长表面结构器件、宽带线偏振检偏器，所述起偏器与检偏器的偏振方向相互垂直；
所述亚波长表面结构器件为基于亚波长结构的光学平板元件，其中一个元件表面分为多个环形区域，每个区域均制作了特定方向的金属光栅连续结构，相邻环形区域的光栅方向相互垂直；所有光栅周期相同，且小于最短工作波长；起偏器偏振方向与光栅线条方向夹角为45°或135°；
所述0～2π连续位相波前调制模块，自左到右沿光线入射方向，包含器件依次为，宽带圆偏振起偏器、亚波长表面结构器件、宽带圆偏振检偏器，所述起偏器与检偏器的圆偏振方向相反；
所述的亚波长表面结构器件，所述亚波长表面结构器件为基于亚波长结构的光学平板元件，其中一个元件表面分为多个环形区域，每个区域均制作了相同周期和方向的金属纳米线或金属纳米缝，周期小于最短工作波长，纳米线方向与所需位相调制值成2倍线性关系；
所述的0/1二元振幅波前调制模块，光学平板元件一个表面分为多个环形区域，交替为与工作波长范围配套的透射和不透射膜层材料；
所述0～1连续振幅波前调制模块，自左到右沿光线入射方向，包含器件依次为，宽带线偏振起偏器、亚波长表面结构器件；
所述的亚波长表面结构器件，所述亚波长表面结构器件为基于亚波长结构的光学平板元件，其中一个元件表面分为多个环形区域，每个区域均为相同周期金属光栅结构，光栅周期小于最短工作波长，其中光透射率正比于光栅方向与宽带线偏振起偏器方向夹角的余弦平方函数；
所述的亚波长表面结构器件，采用倾斜光路或者光路中引入半透半反镜片，还可以工作在反射模式，此时振幅调制效果与透射模式相反。
其中，所述的物镜模块，可以为大口径望远物镜、不同数值孔径的显微物镜，所述的物镜模块和所述的中继成像模块均可以为透射、同轴反射、离轴反射模式，工作波段可以为紫外、可见光或红外范围。
其中，所述的波前调制模块还可以根据口径大小和装调设计需要，波前调制模块可以选择在成像系统中其它光瞳像位置，并与其重合。
进一步地，物镜模块、中继成像模块、波前调制模块三部分进行一体化系统像差和色差优化设计，在超分辨成像局域视场内，对整个工作波长范围，波像差小于1/10波长以下。
进一步地，所述的波前调制模块的波前调制函数设计，通过计算视场光阑下，点扩散函数，优化振幅、位相调制函数，实现点扩散函数中心焦斑宽度显著小于同等参数下衍射极限焦斑、局域视场内旁瓣相对中心主瓣峰值高度<0.1。
进一步地，所述的超分辨成像视场光阑，放置在成像系统后端光阑实像位置处，光阑大小尺寸，以不引入显著超分辨像相邻光点噪声，以及尽可能获得最大单次成像视场为佳。
进一步地，所述的CCD探测器选择尽可能高的光学图像强度响应范围，大于光学背景噪声的1000倍以上。
进一步地，所述的大视场超分辨成像的工作模式为：1)移出所述视场光阑和波前调制模块，对大视场范围成像观测，并确定感兴趣的观测视场区域。2)固定视场光阑，进行超分辨成像探测。3)不断移动视场光阑，针对衍射受限成像系统不同视场位置，依次进行成像探测，通过图像信息拼接，获得大视场范围超分辨成像信息。
进一步地，将所述的视场光阑放置在中心位置，光阑尺寸缩小到衍射极限焦斑大小，在所述CCD位置加入与所述视场光阑共轭的透光小孔，小孔大小为超分辨中心焦斑尺寸大小，通过移动样品或者移动整个光学成像系统，可实现共聚焦扫描模式的超分辨成像。
进一步地，所述的超分辨成像过程中，引入背景光场后端图像处理方法，采用平均背景光强去除方法，提高图像对比度。
本发明与现有技术相比，有益效果为：
(1)本发明提出了一种实时、大视场、非相干、物像面均在远场的超分辨成像方法，解决了传统超分辨成像面临的近场限制、样品受限、特殊照明等应用局限性问题；
(2)本发明采用波前调制器件，实现宽带超分辨成像。
(3)本发明利用扫描视场光阑的方式实现大视场超分辨成像，一方面可以避免物体之间的相互干扰；另一方面，超分辨子图的拼接方式无需繁琐的后续数据处理；
(4)本发明超分辨成像过程中，引入背景光场后端图像处理方法，采用平均背景光强去除方法，提高图像对比度。
附图说明
图1为本发明实施例的宽带远场超分辨成像装置示意图，其中，1.物镜模块；2.视场光阑；3.中继成像模块；4.波前调制模块；5.CCD探测器。
图2为透射模式的波前调制模块示意图，其中，6.起偏器；7.亚波长表面结构器件；8.检偏器。
图3为采用倾斜光路的反射模式的波前调制模块示意图，其中，9.起偏器；10.亚波长表面结构器件；11.检偏器。
图4为引入半透半反镜的反射模式的波前调制模块示意图，其中，12.亚波长表面结构器件，13.半透半反镜片，14.起偏器，15.检偏器。
图5为本发明实施例中的0/π二元位相波前调制模块中亚波长表面结构器件的表面结构示意图。
图6为本发明实施例中的0～2π连续位相波前调制模块中亚波长表面结构器件的表面结构示意图。
图7为本发明实施例中氙灯照明，滤光片中心波长分别为：450nm、550nm、650nm，波长带宽为40nm的单孔衍射受限成像以及超分辨成像，其中，图7(a)为中心波长为450nm的单孔衍射受限Airy斑图样，图7(b)为中心波长为550nm的单孔衍射受限Airy斑图样，图7(c)为中心波长为650nm的单孔衍射受限Airy斑图样，图7(d)为中心波长为450nm的单孔超分辨成像图，图7(e)为中心波长为550nm的单孔超分辨成像图，图7(f)为中心波长为650nm的单孔超分辨成像图。
图8为本发明实施例中直接用氙灯照明下单孔的衍射受限的成像以及超分辨成像，其中，图8(a)为未调制氙灯照明下单孔的衍射受限成像图，图8(b)为调制氙灯照明下单孔的超分辨成像图。
图9为本发明实施例中氙灯照明下双孔的衍射受限的成像以及超分辨成像，其中，图9(a)为未调制氙灯照明下双孔的衍射受限成像图，图9(b)为调制氙灯照明下双孔的超分辨成像图。
图10为本发明另一实施例中大视场的衍射受限成像以及视场光阑扫描的超分辨拼接成像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围不限于此。
本发明的基本方案如下：
本发明提供一种宽带远场超分辨成像装置。其中，该成像装置为在近无色散、宽带、衍射受限成像系统中，引入无色散的波前调制模块，实现局域视场范围内超分辨成像，并利用扫描视场光阑的方式实现大视场超分辨成像。实现该方法的成像装置包括：物镜模块、中继成像模块以及用于调制光场相位振幅的波前调制模块。
其中，所述的物镜模块，可以为大口径望远物镜、不同数值孔径的显微物镜，所述的物镜模块和所述的中继成像模块均可以为透射、同轴反射、离轴反射模式，工作波段可以为紫外、可见光、红外等范围。
其中，所述的波前调制模块，放置于物镜模块和中继成像模块组合系统的后端出瞳面位置，波前调制模块的有效口径位置和尺寸与出瞳面重合，或者根据口径大小、装调等设计需要，波前调制模块可以选择在成像系统中其它光瞳像位置，并与其重合。
其中，所述的波前调制模块包括下述之一：0/π二元位相波前调制模块、0～2π连续位相波前调制模块、0/1振幅波前调制模块，0～1连续振幅波前调制模块，或者是任一位相调制模块与任一振幅调制模块的组合。
其中，所述的0/π二元位相波前调制模块，自左到右沿光线入射方向，包含器件依次为，宽带线偏振起偏器、亚波长表面结构器件、宽带线偏振检偏器，所述起偏器与检偏器的偏振方向相互垂直。其中，所述亚波长表面结构器件为基于亚波长结构的光学平板元件，其中一个元件表面分为多个环形区域，每个区域均制作了特定方向的金属光栅连续结构，相邻环形区域的光栅方向相互垂直；所有光栅周期相同，且小于最短工作波长；起偏器偏振方向与光栅线条方向夹角为45°或135°。
其中，所述0～2π连续位相波前调制模块，自左到右沿光线入射方向，包含器件依次为，宽带圆偏振起偏器、亚波长表面结构器件、宽带圆偏振检偏器，所述起偏器与检偏器的圆偏振方向相反。其中，所述亚波长表面结构器件为基于亚波长结构的光学平板元件，其中一个元件表面分为多个环形区域，每个区域均制作了相同周期和方向的金属纳米线(或金属纳米缝)，周期小于最短工作波长，纳米线方向与所需位相调制值成2倍线性关系。
其中，所述的0/1二元振幅波前调制模块，光学平板元件一个表面分为多个环形区域，交替为与工作波长范围配套的透射和不透射膜层材料。
其中，所述0～1连续振幅波前调制模块，自左到右沿光线入射方向，包含器件依次为，宽带线偏振起偏器、亚波长表面结构器件。所述亚波长表面结构器件为基于亚波长结构的光学平板元件，其中一个元件表面分为多个环形区域，每个区域均为相同周期金属光栅结构，光栅周期小于最短工作波长，其中光透射率正比于光栅方向与宽带线偏振起偏器方向夹角的余弦平方函数。
所有亚波长表面结构器件，采用倾斜光路或者光路中引入半透半反镜片，还可以工作在反射模式，此时振幅调制效果与透射模式相反。
进一步地，物镜模块、中继成像模块、波前调制模块三部分进行一体化系统像差和色差优化设计，在超分辨成像局域视场内，对整个工作波长范围，波像差小于1/10波长以下。
进一步地，所述的波前调制模块的波前调制函数设计，通过计算视场光阑下，点扩散函数，优化振幅、位相调制函数，实现点扩散函数中心焦斑宽度显著小于同等参数下衍射极限焦斑、局域视场内旁瓣相对中心主瓣峰值高度<0.1。
进一步地，所述的超分辨成像视场光阑，放置在成像系统后端光阑实像位置处，光阑大小尺寸，以不引入显著超分辨像相邻光点噪声，以及尽可能获得最大单次成像视场为佳。
进一步地，所述的CCD探测器选择尽可能高的光学图像强度响应范围，例如大于光学背景噪声的1000倍以上。
进一步地，所述的大视场超分辨成像的工作模式为：1)移出所述视场光阑和波前调制模块，对大视场范围成像观测，并确定感兴趣的观测视场区域。2)固定视场光阑，进行超分辨成像探测。3)不断移动视场光阑，针对衍射受限成像系统不同视场位置，依次进行成像探测，通过图像信息拼接，获得大视场范围超分辨成像信息。
进一步地，将所述的视场光阑放置在中心位置，光阑尺寸缩小到衍射极限焦斑大小，在所述CCD位置加入与所述视场光阑共轭的透光小孔，小孔大小为超分辨中心焦斑尺寸大小，通过移动样品或者移动整个光学成像系统，可实现共聚焦扫描模式的超分辨成像。
进一步地，所述的超分辨成像过程中，引入背景光场后端图像处理方法，采用平均背景光强去除方法，提高图像对比度。
实施例1宽带超分辨成像
如图1所示的本实施例实现宽带远场超分辨成像的装置。自左向右沿光线入射方向依次包括：物镜模块1，视场光阑2，中继成像模块3，波前调制模块4，和CCD探测器5。
图2为透射模式的波前调制模块示意图。其中：透射模式的波前调制模块自左向右沿光线入射方向依次包括：起偏器6，亚波长表面结构器件7和检偏器8。
图3为采用倾斜光路的反射模式的波前调制模块示意图。其中：采用倾斜光路的反射模式的波前调制模块自左向右沿光线入射方向依次包括：起偏器9，亚波长表面结构器件10和检偏器11。
图4为引入半透半反镜的反射模式的波前调制模块示意图。其中：引入半透半反镜的反射模式的波前调制模块从下至上，自左向右沿光线入射方向依次包括：起偏器14，亚波长表面结构器件12，半透半反镜片13，检偏器15，其中，起偏器14位于半透半反镜片13下方，光束从起偏器一侧入射，反射的光射向亚波长表面结构器件12，透射的光射向检偏器15。
如图5所示的0/π二元位相波前调制模块中亚波长表面结构器件的表面结构，其分为3个环形区域，每个区域均为特定方向的金属光栅连续结构，相邻环形区域的光栅方向相互垂直；所有光栅周期相同，且小于最短工作波长；起偏器1偏振方向与光栅线条方向夹角为45°或135°。
图6为0～2π连续位相波前调制模块中亚波长表面结构器件的表面结构，其分为3个环形区域，每个区域均为特定周期和方向的金属纳米线结构，周期小于最短工作波长，纳米线方向与所需位相调制值成2倍线性关系。
首先是用氙灯经窄带滤光片照明的情况，三组滤光片中心波长分别为：450nm、550nm、650nm，波长带宽为40nm。选择中继透镜组焦距为300～1000mm，视场光阑大小选择为80～300um。对于单个小孔(直径20μm)，在三组滤光片下，经波前调制模块调制后的光场分布见图7(d)、7(e)、7(f)，对比组为未经调制的Airy斑图样(图7(a)，7(b)，7(c))。对于三种中心波长，实验测试的Airy斑全宽尺寸分别为：62.1μm、75.9μm、89.7μm；超衍射焦斑全宽尺寸分别为：38μm、44.9μm、55.2μm。说明本发明具有宽带超衍射成像性能。当直接采用氙灯照明时，衍射受限焦斑和超衍射焦斑的全宽尺寸分别为：82.8μm、51.75μm，如图8所示，从而验证了本发明的白光超衍射聚焦性能。
进一步地，直接采用氙灯光源照明，测试了间距60μm双孔的成像情况，请参见图9。图中可以看出，在波前调制器件的调制下，分辨率明显得到了提高；同时，器件的宽带调制特性保证了焦面处更多的能量。
实施例2大视场超分辨成像
在实施例1中，单孔和双孔等结构均成像在局部视场区域内。当物体尺寸超过视场区域时，由于高强度旁瓣相互干扰，大型目标物体无法采用视场内成像方式再现出某些细节特征。对于这种情况，本发明在主镜成像平面加入了一定大小的视场光阑，用于筛选不同角度的光线，从而避免视场外高强度旁瓣的干扰。图10中3组邻近放置的物体在不加入视场光阑进行超分辨成像时，所有物体无法成像在一个视场区域内，相邻区域的旁瓣必然会影响其他区域的超分辨成像；但是在孔径光阑位置加入150μm小孔后，每次只允许部分区域对应的光线透过，通过扫描小孔位置，在CCD平面可以收集到每组结构的超分辨图样，拼接各组图像视场区域内的超分辨图像，进而得到整个目标物体的超分辨图像，如图10中右图所示。图7中左图为未加入波前调制模块的衍射受限图像。从图中可以看出，加入波前调制模块及通过光阑扫描，一方面提高了系统的分辨率，另一方面拓展了成像视场。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：该成像装置自左向右沿光线入射方向依次包括：物镜模块(1)、视场光阑(2)、中继成像模块(3)、波前调制模块(4)和CCD探测器(5)，波前调制模块(4)用于调制光场相位和/或振幅，所述的波前调制模块(4)放置于物镜模块(1)和中继成像模块(3)组合系统的后端出瞳面位置，波前调制模块(4)的有效口径位置和尺寸与出瞳面重合；其中：
所述的波前调制模块(4)包括下述之一：0/π二元位相波前调制模块、0～2π连续位相波前调制模块、0/1振幅波前调制模块、0～1连续振幅波前调制模块，或者是0/π二元位相波前调制模块、0～2π连续位相波前调制模块任一与0/1振幅波前调制模块、0～1连续振幅波前调制模块任一的组合；
所述的0/π二元位相波前调制模块，自左到右沿光线入射方向，包含器件依次为，宽带线偏振起偏器、0/π二元位相波前调制模块的亚波长表面结构器件、宽带线偏振检偏器，所述宽带线偏振起偏器与宽带线偏振检偏器的偏振方向相互垂直；
所述0/π二元位相波前调制模块的亚波长表面结构器件为基于亚波长结构的光学平板元件，其中一个元件表面分为多个环形区域，每个区域均制作了特定方向的金属光栅连续结构，相邻环形区域的光栅方向相互垂直；所有光栅周期相同，且小于最短工作波长；宽带线偏振起偏器偏振方向与光栅线条方向夹角为45°或135°；
所述0～2π连续位相波前调制模块，自左到右沿光线入射方向，包含器件依次为，宽带圆偏振起偏器、0～2π连续位相波前调制模块的亚波长表面结构器件、宽带圆偏振检偏器，所述宽带圆偏振起偏器与宽带圆偏振检偏器的圆偏振方向相反；
所述0～2π连续位相波前调制模块的亚波长表面结构器件为基于亚波长结构的光学平板元件，其中一个元件表面分为多个环形区域，每个区域均制作了相同周期和方向的金属纳米线或金属纳米缝，周期小于最短工作波长，纳米线方向与所需位相调制值成2倍线性关系；
所述的0/1二元振幅波前调制模块，光学平板元件一个表面分为多个环形区域，交替为与工作波长范围配套的透射和不透射膜层材料；
所述0～1连续振幅波前调制模块，自左到右沿光线入射方向，包含器件依次为，宽带线偏振起偏器、0～1连续振幅波前调制模块的亚波长表面结构器件；
所述0～1连续振幅波前调制模块的亚波长表面结构器件为基于亚波长结构的光学平板元件，其中一个元件表面分为多个环形区域，每个区域均为相同周期金属光栅结构，光栅周期小于最短工作波长，其中光透射率正比于光栅方向与宽带线偏振起偏器方向夹角的余弦平方函数；
所述的0～1连续振幅波前调制模块的亚波长表面结构器件，采用倾斜光路或者在光路中引入半透半反镜片，还能够工作在反射模式，此时振幅调制效果与透射模式相反。
2.根据权利要求1所述的一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：所述的物镜模块(1)为大口径望远物镜或不同数值孔径的显微物镜，所述的物镜模块(1)和所述的中继成像模块(3)均为透射、同轴反射或离轴反射模式，工作波段为紫外、可见光或红外范围。
3.根据权利要求1所述的一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：所述的波前调制模块(4)还根据口径大小和装调设计需要，波前调制模块选择在成像系统中其它光瞳像位置，并与其重合。
4.根据权利要求1所述的一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：物镜模块(1)、中继成像模块(3)、波前调制模块(4)三部分进行一体化系统像差和色差优化设计，在超分辨成像局域视场内，对整个工作波长范围，波像差小于1/10波长。
5.根据权利要求1所述的一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于，所述的波前调制模块(4)的波前调制函数设计，通过计算视场光阑下，点扩散函数，优化振幅、位相调制函数，实现点扩散函数中心焦斑宽度小于同等参数下衍射极限焦斑或局域视场内旁瓣相对中心主瓣峰值高度<0.1。
6.根据权利要求1所述的一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：所述的视场光阑(2)为超分辨成像视场光阑，放置在成像系统后端光阑实像位置处，光阑大小尺寸，以不引入超分辨像相邻光点噪声，以及获得最大单次成像视场。
7.根据权利要求1所述的一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：所述的CCD探测器(5)选择的光学图像强度响应范围大于光学背景噪声的1000倍。
8.根据权利要求1所述的一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：大视场超分辨成像的工作模式为：1)移出所述视场光阑和波前调制模块，对大视场范围成像观测，并确定感兴趣的观测视场区域；2)固定视场光阑，进行超分辨成像探测；3)不断移动视场光阑，针对衍射受限成像系统不同视场位置，依次进行成像探测，通过图像信息拼接，获得大视场范围超分辨成像信息。
9.根据权利要求1所述的一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：将所述的视场光阑(2)放置在焦斑中心位置，光阑尺寸缩小到衍射极限焦斑大小，在所述CCD探测器(5)位置加入与所述视场光阑共轭的透光小孔，小孔大小为超分辨中心焦斑尺寸大小，通过移动样品或者移动整个光学成像系统，可实现共聚焦扫描模式的超分辨成像。
10.根据权利要求1所述的一种宽带远场超分辨成像装置，其特征在于：在超分辨成像过程中，引入背景光场后端图像处理方法，采用平均背景光强去除方法，提高图像对比度。
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