一种基于象散的样品轴向漂移补偿方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于象散的样品轴向漂移补偿方法和装置。装置包括激光器、单模光纤、准直透镜、分光棱镜、由两个焦距相同且横截面相互正交的柱面镜构成的象散处理器、显微物镜、三维纳米扫描平台、聚焦透镜、光衰减器、光电感应器件和计算机。方法包括：将准直光束经上述象散处理器形成第一象散光束，进而在待测样品聚焦后被反射，并再次经过上述象散处理器形成第二象散光束，经分光棱镜反射得到监控光束，并在经聚焦透镜聚焦后由光电感应器件接收，标定监控光束聚焦光斑与待测样品的轴向漂移量的关系并输入计算机用于样品轴向漂移补偿。本发明专利技术结构简单，使用方便，而且具有较高的测量灵敏度，可用于高精度超分辨显微设备中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高精度、超分辨显微领域，特别涉及一种基于象散的样品轴向漂移补偿方法和装置。
技术介绍
在显微系统的工作过程当中，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，形成离焦，从而对显微系统的成像精度造成影响。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，因为轴向漂移将导致多次重复扫描的并非为同一像素点。因此，一种可以实时地测量显微样品的轴向漂移并进行补偿的方法，对于提高显微系统的精度将具有十分重要的作用。随着科学技术的发展，科研工作者们提出了多种测量样品轴向漂移的方法，其中以光学非接触测量方法的应用最为广泛。目前，光学非接触测量方法多是基于共焦系统。这种系统虽然具有较好的测量精度，但是构造比较复杂，在一定程度上限制了方法的适用范围。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于象散的样品轴向漂移补偿方法和装置，装置结构简单，方法使用方便，而且具有较高的测量灵敏度。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，用以对待测样品的轴向位置漂移进行补偿，从而保证显微系统的精度。一种基于象散的样品轴向漂移补偿方法，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)经过准直后的光线经过分光棱镜的作用后，分解为第一反射光线和第一透射光线；(3)所述第一透射光线经过由两个焦距相同且横截面相互正交的柱面镜所构成的象散处理器形成第一象散光束；(4)所述第一象散光束通过显微物镜聚焦后投射到置于三维纳米扫描平台上的待测样品之上，经待测样品反射后的光束沿原光路逆向返回，由所述显微物镜收集后，再次经过所述象散处理器形成第二象散光束；(5)第二象散光束经所述分光棱镜分解为第二透射光线和第二反射光线；(6)所述第二反射光线作为监控光束经聚焦透镜聚焦，再经过光衰减器后由光电感应器件接收，得到监控光束聚焦光斑的特征参数，标定监控光束聚焦光斑的特征参数与待测样品的轴向漂移量的关系，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)系统标定好后，用于样品轴向漂移补偿当待测样品发生轴向漂移时，计算机根据由所述光电感应器件输出的监控光束聚焦光斑的特征参数在标定好的系统内跟踪查询到相应的待测样品的轴向漂移量，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漂移补偿。所述的光电感应器件为高速电荷耦合器件(CCD =Charge Couple Device)或者四象限探测器(QD:QUadrant Detector)，所述的四象限探测器垂直放置。当使用CCD作为光电感应器件时，所述监控光束聚焦光斑的特征参数为监控光束在CCD上所成聚焦光斑强度分布曲线的半高全宽值。当使用QD作为光电感应器件时，QD垂直放置，所述监控光束聚焦光斑的特征参数为根据四象限探测器四象限上的输出电流计算得到的四象限输出电流差分值。本专利技术还提供了一种基于象散的样品轴向漂移补偿装置，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、分光棱镜、 象散处理器、显微物镜和用于放置待测样品的三维纳米扫描平台；其中，所述单模光纤的出射端面位于准直透镜的物方焦点处，所述象散处理器由焦距相同且横截面相互正交的两个柱面镜构成；在监控光束光路的光轴上依次设置的聚焦透镜、光衰减器和光电感应器件，所述光电感应器件位于所述聚焦透镜的像方焦点处；其中，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，所述监控光束为由待测样品反射的光依次被所述显微物镜收集和所述象散处理器进行象散后再由所述分光棱镜分光得到的反射光线；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。 本专利技术装置中，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，所述分光棱镜用于分光，所述象散处理器用于对入射光束的光斑形状进行调制得到象散光束，所述显微物镜用于入射的光线聚焦投射到待测样品上并用于收集经待测样品反射的光束，所述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，所述光衰减器用于进行光衰减以避免光电感应器件出现光强饱和，所述光电感应器件用于接收监控光束聚焦光斑并根据接收信号输出相应的监控信息(监控光束聚焦光斑的特征参数)，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后发出调整控制信号，所述三维纳米扫描平台用于放置待测样品并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。优选的技术方案中，所述象散处理器中，第一柱面镜横截面与水平面的夹角为 45°，第二柱面镜横截面与水平面的夹角为135°。优选的技术方案中，所述象散处理器中，两个柱面镜焦距为150mm。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(CCD)或者四象限探测器(QD)。本专利技术原理如下对于一个柱面镜来说，其横截面(即径向截面)可以看成球面透镜，而纵截面(即轴向截面)则可以看成平板。因此，当两条平行光线在柱面镜的横截面内入射时，出射光线会相交于柱面镜焦线上的一点；而当两条平行光线在柱面镜的纵截面内入射时，出射光线5将仍然保持平行。所以，柱面镜成像具有象散特性。根据以上所述柱面镜的成像性质，当高斯光束通过单个柱面镜之后，出射光束的光斑将会成椭圆形，且椭圆光斑的长轴与柱面镜的横截面垂直。当高斯光束通过由两个焦距相同且横截面互相正交的柱面镜所构成的象散处理器之后，出射光束的椭圆光斑形状将会随着出射光束的传播而发生变化在第一柱面镜的像方焦点处，出射光束椭圆光斑的长轴与第一柱面镜的横截面垂直；而在第二柱面镜的像方焦点处，出射光束椭圆光斑的长轴与第二柱面镜的横截面垂直。由于两柱面镜的横截面相互正交，因此当出射光束由第一柱面镜的像方焦点传播到第二柱面镜的像方焦点时，光束椭圆光斑的指向(椭圆的长轴方向)转过了 90°。在此过程中，光束椭圆光斑在与第一柱面镜横截面垂直方向上的长度将逐渐变短，在与第二柱面镜横截面垂直方向上的长度将逐渐变长。当高斯光束依次通过由两个焦距相同且横截面互相正交的柱面镜所构成的象散处理器和显微物镜之后，出射光束的椭圆光斑的形状同样会随着出射光束的传播而发生变化在第一柱面镜和显微物镜的组合像方焦点处，出射光束椭圆光斑的长轴与第一柱面镜的横截面垂直；而在第二柱面镜和显微物镜的组合像方焦点处，出射光束椭圆光斑的长轴与第二柱面镜的横截面垂直。由于两柱面镜的横截面相互正交，因此当出射光束由第一柱面镜和显微物镜的组合像方焦点传播到第二柱面镜和显微物镜的组合像方焦点时，光束椭圆光斑的指向(椭圆的长轴方向)转过了 90°。在此过程中，光束椭圆光斑在与第一柱面镜横截面垂直方向上的长度将逐渐变短，在与第二柱面镜横截面垂直方向上的长度将逐渐变长。第一柱面镜和显微物镜的组合像方焦点与第二柱面镜和显微物镜的组合像方焦点之间的区域视为等效焦区，等效焦区的轴向长度称为等效焦深。等效焦深可按如下公式计算 权利要求1.一种基于象散的样品轴向漂移补偿方法，其特征在于，包括以下步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：匡翠方，李帅，刘鹏，郦龙，刘旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：