[發明專利]一種基于點擴散函數測量的物鏡檢測裝置

在審

• 申請號: 201710347515.2
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN106996862A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 唐玉國;魏通達;張運海
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙)44316
• 代理人: 趙勍毅

技術領域

本發明涉及顯微檢測儀器設計及制造領域，尤其是涉及一種基于點擴散函數測量的物鏡檢測裝置及方法。

背景技術

光學顯微物鏡是光學顯微成像系統中的核心部件，物鏡的成像質量嚴重影響整個系統最終的成像效果。成像質量主要是指像與物之間在不考慮放大率情況下的強度和色度的空間分布的一致性。在超分辨顯微系統中，一般采用大數值孔徑顯微物鏡，成像分辨率可達50nm，這就對顯微物鏡質量提出了更嚴格的要求。因此，如何精確、定量的測量和評價物鏡成像質量是需要解決的問題。

目前，定量表述光學系統成像質量主要采用光學傳遞函數、波像差和點擴散函數等評價方法，而采用光學傳遞函數評價成像質量已成為國際公認標準，其測量方法包括了直接測量的對比法、波像差測量的干涉法以及點擴散函數測量的點光源測量法等。

對比法采用透過率成正弦變化的光柵或旋轉的輻射型光柵作為物面，通過對比像面和物面的對比度來直接進行計算，其優點是誤差可控，計算簡單，并可直接觀測結果，但是其缺點在于該方法檢測頻率受限于光柵頻率而較低，對于分辨率達到衍射極限的超分辨顯微鏡物鏡檢測，其所需高頻光柵制造難度大、成本高。

波像差檢測的方法是采用干涉法，由干涉儀、基準平面鏡和被測試光學成像系統構成的測試光路，光通過待測光學系統與參考光干涉形成干涉條紋被CCD等光電探測器記錄，并數字化存儲，由計算機按照一定的數學模型，通過求得光強傅里葉級數系數，即可求得波面的相位分布，從而可以得到光學傳遞函數。但是該方法受限于檢測裝置的相對孔徑，對于大數值孔徑顯微物鏡(如NA為1.45)，則無法實現物鏡波像差的檢測；此外，所需相移干涉儀產品價格昂貴，基準平面鏡的面形質量也將直接影響測試結果的準確性。

點光源測量法又稱針孔測量法，采用光源照明針孔的方法，使用光學系統直接對該點光源成像，在像面采用CCD記錄光強，得到點擴散函數之后進行快速傅里葉變換就可得到系統的光學傳遞函數。若被測物鏡的數值孔徑大于檢測顯微鏡物鏡，則無法一次直接成像，需要配合轉臺和平移導軌等機構，完成對整個焦點區域的掃描探測。該方法缺點是測量受到針孔影響極大，無法實現真正的點光源，針孔過大則影響測量精度，針孔過小則光強極弱，不易測量，受背景噪聲影響大；此外，除被測鏡頭的像差以外，測量中使用的顯微物鏡等光學元件冗余，同樣會引入未知的像差并影響最終測量結果；系統探測到的是二維點擴散函數，其分辨率受到物鏡數值孔徑、CCD象元尺寸等因素限制，精度較低；大數值孔徑物鏡測量時，轉臺和平移導軌等機構復雜，精度低。

上述幾種方法主要應用于物鏡數值孔徑相對不大情況下的檢測。而超分辨光學顯微鏡系統中使用的物鏡，為平場復消色差、大數值孔徑(NA1.45)物鏡，是接近衍射極限的光學系統，對于這類物鏡的成像質量測量和評價，上述方法仍有很大的局限性。

發明內容

有鑒如此，有必要針對現有技術存在的缺陷提供一種可實現對大數值孔徑物鏡成像質量的定量測量與評估的基于點擴散函數測量的物鏡檢測裝置。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種基于點擴散函數測量的物鏡檢測裝置，包括激光器、可變單色濾光片轉輪、擴束鏡、分光鏡、物鏡、三維納米位移臺、透鏡、探測器及計算機，所述激光器可出射寬波段白激光、所述可變單色濾光片轉輪可選擇地透射不同波長的單色光，所述三維納米位移臺上固定有金納米粒子，所述三維納米位移臺及所述探測器分別電性連接于所述計算機，所述計算機可控制所述三維納米位移臺移動，其中：

所述激光器出射的寬波段白激光經所述可變單色濾光片轉輪后形成包括若干波長的單色激光束，所述單色激光束經所述擴束鏡準直后再通過所述分光鏡入射進入所述物鏡，所述單色激光束經所述物鏡聚焦后在其焦點處形成三維分布的光斑，所述三維分布的光斑呈PSF分布；

位于所述物鏡焦點處的金納米粒子經所述光斑照射后產生散射的激光信號，所述激光信號再依次經所述物鏡及所述分光鏡后入射進入所述透鏡，所述透鏡匯聚所述激光信號并經所述探測器探測形成的探測信號記錄于所述計算機中；

所述計算機控制納米位移臺移動，并帶動所述金納米粒子在所述PSF所在的空間區域內移動，實現所述金納米粒子在PSF分布區域的三維掃描，并建立所述探測信號與所述金納米粒子的三維位置信息的對應關系，實現PSF的三維測量。

在其中一些實施例中，所述激光器為寬波段超連續譜激光器。

在其中一些實施例中，依次經所述擴束鏡、所述分光鏡后入射進入所述物鏡的單色激光束的光斑直徑大于所述物鏡的光瞳直徑。