[發明專利]一種基于外差探測體制的無針孔掃描式共焦顯微鏡

有效

• 申請號: 202011277508.8
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112505908B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 董洪舟
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02B21/00
• 分類號: G02B21/00;G01N21/17;G01B11/24
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 陳一鑫

該發明公開了一種基于外差探測體制的無針孔掃描式共焦顯微鏡，屬于顯微成像領域，特別是激光共焦顯微成像領域。本發明的目的是針對背景技術的不足，通過理論分析指出，外差探測體制共焦顯微技術中，在無需共軛針孔和針孔前聚焦透鏡的情況下，系統的分辨率和直接探測體制共焦顯微系統的分辨率相同。基于這一理論省略了共軛針孔和針孔前聚焦透鏡，從而消除了現有技術中針孔對共焦顯微技術的限制，進一步促進了共焦顯微技術的發展。

技術領域

本發明屬于顯微成像領域，特別是激光共焦顯微成像領域。

背景技術

在生物醫學及材料學等領域，共焦顯微技術已被廣泛用于微觀樣品的三維結構測量。目前共焦顯微技術基本都采用直接探測體制，大體分為無限遠工作距離系統和有限遠工作距離系統，如圖1和圖2所示。而直接探測體制共焦顯微技術存在以下兩個難以克服的問題：

第一，探測靈敏度低

眾所周知的是，與外差探測體制相比，直接探測體制的靈敏度很低，對微弱信號的探測沒有優勢。有文獻：“I Renhorn,O Steinvall.Performance study of a coherentlaser radar[A].Proc.SPIE,1983,415:39-50”，公開了外差探測的最小可探測功率為10^-13W量級，而直接探測的最小可探測功率為10^-8W量級，即是說直接探測體制的靈敏度比外差探測體制低5個量級。也有分析認為如文獻“安毓英,曾曉東,馮喆珺,光電探測與信號處理[M].北京,科學出版社,2010”，若以直接探測為參考，當信號光功率較弱時，外差探測的轉換增益可以提高10⁷～10⁸量級。因此目前直接探測體制的共焦顯微技術對微弱信號的探測沒有優勢。尤其是當在光路中加入光瞳濾波技術實現超分辨率成像時(如圖1和圖2所示)，隨著分辨率的提高，信號能量呈指數下降趨勢，如文獻“Tasso R.de Melo Sales.Phase-only Superresolution Elements:[D].Rochester,University of Rochester,1997”，此時進一步降低了探測系統的靈敏度。因此在直接探測體制共焦顯微技術中，很難得到良好的超分辨率效果。

第二，共軛針孔引起的實際應用困難

為了實現軸向層析能力，直接探測體制共焦顯微技術必須在探測器前設置共軛針孔，如圖1和2所示。但微米量級寬度的共軛針孔引起了如下的一些實際操作困難。首先，當與激光匯聚點對準時，針孔位置即使存在亞微米的偏差，都將產生像差從而導致分辨率下降，如文獻“Wilson T,Carlini A.R,“Effect of detector displacement in confocalimaging systems,”Appl.Opt.27(18),3791-3798,(1988).

Shigeharu K.,Wilson T,“Effect of axial pinhole displacement inconfocal microscopes,”Appl.Opt.32(13),2257-2261(1993).”；因此必須對系統安裝調試的精度，以及抗振動干擾的能力提出苛刻的要求；其次，實際應用中，即使微小的灰塵落到針孔上，也會引入像差并減弱信號光強度，甚至導致成像失效。而灰塵的擦除又需要拆解共焦顯微系統相應的模塊，然后重復高精度的對準工作，這增加了共焦顯微技術的應用難度。最后，針孔的尺寸越大，雖然接收到的信號光功率越多，卻會引起分辨率的下降，如文獻“Huayong Ge,Qiushi Ren,Baohua Wang and Wangrong Li,“Influence of pinhole sizeand fiber-optic imaging bundle on resolution in confocal endoscopic imagingsystem,”SPIE.5633:506-513(2004).”，而針孔過小時信號信噪比又會過低，因此實際應用中必須謹慎地設計針孔尺寸，并準確加工針孔的孔徑。綜上所述，共軛針孔給實際應用增添了較大的實際應用困難。