[发明专利]亚像元分割编码显微成像装置

说明书

技术领域

本发明属于光学波段显微探测成像装置。

背景技术

现有成像装置光学显微镜以不带电的光子为信息载体，对细胞干扰很小，是生物学和医学研究的基本工具。尽管其他类显微镜，如电子显微镜、扫描隧道显微镜早已具有亚纳米级的分辨率，但是由于光学波段的电磁波所具有的特征能量与生物物质的分子运动能量相近，很容易发生某种形式的相互作用，从而可以通过此种相互作用去进一步认识这些物质且又不损伤这些物质的生物活性。所以至今世界上许多先进实验室一直在努力探索光学近场成像的特性，以便利用这些特性服务于人类科学技术的发展，这其中主要的一个方面就是光学波段超分辨探测技术。

现有近场光学显微镜均须借助于某种型式的近场探针，以便提取待测目标表面近场中某处一个极小区域的光学近场信号(近场仅存在于物体表面亚波长的近处，探针感应该点的光学近场，并将其转化为传导波送往光纤的另一端)，该区域一般远小于光学分辨率限制依据的瑞利判据所限定的区域，这种探针可以是有孔(通光)也可以是无孔(不直接通光)。从工作原理上看近场探针的作用是：提取在近目标区的隐失波中所携带的超分辨信息，并通过探针的传光结构(光波导纤维)将隐失波转换成传导波，然后传往光学系统和光电转换器，获得相应的电信号；近场探针在测控单元的帮助下保持住针尖与待测目标的间距在所需近场范围，并由二维扫描机构拖动探针在目标上作二维扫描，从而完成目标的超分辨光学图像的探测。现有近场光学显微镜(以可见光为例)主要由探针、扫描机构和控制系统三部分构成：探针具有纳米针尖；扫描机构保持探针到样品待测点间的距离为十几纳米并拖动探针相对于待测样品的表面做二维(X-Y方向)；控制系统保证在每一探测位置针尖与样品间距为一定的距离(极近的)。目前，世界上仅有几家厂商生产这种近场扫描光学显微镜，其X-Y方向的分辨率一般为50nm。现有探针扫描近场光学显微镜存在下述问题：

(1)现有探针通光效率低下，经探针所搜集的光信号很难再经过分光系统去做光谱探测；探针通光少了就要使用极高灵敏度的探测器，将导致在没有光电倍增管的工作波段(光学波段)很难达到适当的信噪比。

(2)针尖与样品间距的控制系统的存在使得这种显微镜耐受外加场的能力很小，而研究外加场，例如高电压场或各种强度恒定或变化电磁场作用下的细胞变化是人类在社会发展中所共同关注的课题。

由于控制系统控制针尖至样品被探测点的间距控制及扫描控制，这种机构对平坦样品尚可克服技术难点，但对不平样品就几乎难以实现超近距离的间距控制及扫描控制。另外，探针能够扫描的范围很小，也就是视场很小。在这种控制系统和运动机构条件下，成像速度也比较低。

(3)控制系统的激光光源、扫描机构及探针本身的附属机构都占用空间，使得样品不可能再被其他探测方法同时观测，因而几乎不存在多方法联用的可能性。

现有一般显微镜的物镜全部遵循一个规律，即低倍物镜视场大而分辨率低，高倍物镜分辨率高却视场小，想要分辨率高的同时还要视场大，是不可能的。

发明内容

本发明提出两种亚像元分割编码显微成像装置，解决现有近场光学显微镜成像速度慢、控制困难的问题；同时解决一般显微镜分辨率受到光学衍射限制而不能继续提高、分辨率和视场范围存在矛盾的问题。

本发明的一种亚像元分割编码成像装置，包括顺序排列的取景窗、编码板和面阵光电探测器，所述取景窗为矩形透光窗，所述编码板为表面具有能遮挡工作波段光的亚波长厚度金属镀膜的石英玻璃板或者能遮挡工作波段光的亚波长厚度自支撑金属膜，金属镀膜或自支撑金属膜上制作有亚波长小孔阵列，所述亚波长小孔阵列中，各小孔孔径小于瑞利判据中的r值；其特征在于：

所述编码板和面阵光电探测器之间设置有显微物镜；

所述亚波长小孔阵列由M×N个子阵列加上编码所必需的P-1列组成，为M行N×P+P-1列的阵列，每个子阵列对应显微物镜的一个物方像元，均为按P阶循环s矩阵排列的小孔阵列，M＝3～1024，N＝3～1024，分别为最终成像的像元的行数和列数，P＝3、7、11、15、19、23、31、35、43、47、63、71、79、83、103、127、255、511或1023；亚波长小孔阵列中最右边的P-1列与最左边的P-1列相同；

各子阵列构成相同，均为由0和1组成的P行P列循环s矩阵的任一行构成；

P＝3时，首行为101，

P＝7时，首行为1110100，

P＝11时，首行为11011100010，

P＝15时，首行为000100110101111，