專利名稱：強度關聯量子成像顯微鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及成像技術，特別是一種能獲得高分辨率圖像的強度關聯 量子成像顯微鏡。
背景技術：
在許多科學研究和醫學診斷中，高分辨率顯微鏡是必不可少的探測 工具之一。長期以來，人們一直致力于提高顯微成像系統的分辨能力。 根據阿貝爾原理和瑞利判據，基于透鏡的光學顯微鏡的分辨率取決于入 射光的波長和物鏡的數值孔徑。因此具有高數值孔徑的物鏡是獲得高分 辨率圖像的關鍵因素之一。然而，在許多實際應用中，顯微設備的探測 環境會限制高數值孔徑透鏡的使用。例如，醫用電子內窺鏡對人體體腔 和臟器內腔進行直接觀察和診斷治療時，為減輕患者的痛苦，其鏡身(插 入人體的導管)要做到盡可能的細，直徑一般在毫米量級。電子內窺鏡
的探頭部分由物鏡和光電耦合器CCD組成，其它特殊的工作環境，物鏡 的孔徑也必須很小，導致透鏡數值孔徑的降低，進而影響到圖像分辨率 的提高。
發明內容
為了克服上述現有的某些顯微成像裝置受到探測環境的限制而無法 使用高數值孔徑物鏡的缺陷，本發明提供一種強度關聯量子成像顯微鏡， 該顯微鏡在保持包含目標物體的探測臂的物鏡口徑不變的情況下，通過 增加參考臂成像透鏡的數值孔徑，實現高分辨率的圖像。本發明的技術解決方案如下
一種強度關聯量子成像顯微鏡，其特點是包括一脈沖光源，該脈沖 光源發出的光束被分束器分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束 方向依次是待測物體、物臂成像透鏡和物臂探測器構成的物臂，所述的 物臂探測器位于所述的物臂成像透鏡的像平面；在所述的反射光束方向
依次是虛擬平面、參考臂成像透鏡和參考臂探測器構成參考臂，所述的
參考臂探測器位于所述的參考臂成像透鏡的像平面；所述的物臂探測器 和參考臂探測器分別經第一數據采集卡和第二數據采集卡接計算機，該 計算機具有強度關聯運算軟件，該計算機通過同步信號發生器分別與所 述的脈沖光源、物臂探測器和參考臂探測器相連，所述的參考臂成像透 鏡具有高數值孔徑。
所述的脈沖光源是空間非相干脈沖光源。
本發明的工作過程如下-
脈沖式光源發射的光束經過一分束器分成透射光束和反射光束。透 射光束進入由待測物體、物臂成像透鏡和物臂探測器組成的物臂。待測 物體與分束器相距為J。，物臂成像透鏡對待測物體成像，物臂探測器位 于物臂成像物鏡的像平面上。所述的反射光束進入由參考臂成像透鏡和 參考臂探測器組成的參考臂。為定義參考臂成像透鏡的位置，我們引入 虛擬平面，其位置與物臂上待測物體位置大致對稱即可，當完全對稱時， 即虛擬平面與分束器距離也為d。，通過強度關聯運算獲得圖像效果最佳。 參考臂成像透鏡的對虛擬平面成像，參考臂探測器位于參考臂成像透鏡 的像平面上。工作時，計算機控制同步信號發生器產生脈沖信號同步觸 發脈沖式贗熱光源、物臂探測器和參考臂探測器。在每一個脈沖信號驅 動下，物臂探測器和參考臂探測器將探測到的光強信息經過數據采集卡 轉化為數字信號存儲到計算機中。經過一定量脈沖采樣后，計算機對存儲的數據進行強度關聯運算即可重構待測物體的圖像。
所述的強度關聯運算是將物臂探測器探測到的不同位置^,處光的
所有時刻強度值/,(x,)與參考臂探測器上對應位置^處的光強度值/,(;0 進行相關運算(見J. Cheng and S. Han， Phys. Rev. Lett. 92， 093903， 2004)，
<formula>formula see original document page 5</formula>
得到物臂和參考臂的互相關強度分布。上式中/(;c)是光源的光強分布， /U^,)和^0c,;O分別表示物臂和參考臂的脈沖響應函數。在本發明中，
物臂和參考臂是兩個獨立的成像系統。
為簡化理論推導，我們只考慮中心波長為義的準單色光源和垂直于
傳播方向的橫截面上一維光場傳輸，在傍軸條件下，利用菲涅爾衍射積
分公式獲得的物臂和參考臂的一維脈沖響應函數分別為
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，x為分束器兩端面的位置坐標，x,與、分別為物臂探測面和參考臂 探測面的位置坐標，x。與x。分別為物臂待測物體平面和參考臂虛擬平面 的位置坐標；/(;c。)為待測物體透過率(或反射率)函數，c/。為待測物體 和虛擬平面到分束器的距離；m,和m,分別是輛臂和參考臂成像系統的 放大率，A和^分別是物臂成像透鏡和參考臂成像透鏡的通光孔徑，
<formula>formula see original document page 5</formula>和<formula>formula see original document page 5</formula>分別表示物臂成像透鏡和參考臂成像透鏡的一維振幅點擴散函數。將以上兩式代入到AG(;c,，;O中，通過互相 關運算，得強度分布函數與物體透過率函數之間的關系如下
<formula>formula see original document page 6</formula>
在上式中，其積分內核
<formula>formula see original document page 6</formula>
是兩臂透鏡的一維振幅點擴散函數(sinc(x))的乘積，可以作為本顯微系
統新的脈沖響應函數。我們在理論和實驗上，已經證明該新的脈沖響應
函數等價于壓縮了物臂脈沖響應函數的半高寬，增加了成像系統的通頻
帶寬，能夠獲得更高分辨率的圖像。 本發明的技術效果
利用強度關聯量子成像技術將物臂和參考臂兩個透鏡的振幅點擴散 函數耦合成一個新的脈沖響應函數，提高物鏡的有效數值孔徑。物體探 測和圖像重建分別在物臂和參考臂兩個不同的光路上實現，當探測環境 限制物臂無法使用大尺寸或高數值孔徑透鏡時，可以通過增加不受探測 環境影響的參考臂透鏡的數值孔徑來提高成像的分辨率。
圖l是本發明的結構示意圖。圖中l是脈沖式光源；2是分束器; 3為待測物體；4為物臂成像透鏡；5為物臂探測器；6是第一數據采集 卡；7為參考臂上與待測物體對稱的虛擬平面；8是參考臂成像透鏡；9 為參考臂探測器；IO是第二數據采集卡；ll為同步信號發生器；12為 計算機。圖2是待測物體的振幅透過率分布圖。 圖3是物臂探測器單獨探測獲得物體振幅分布曲線。 圖4是在兩臂透鏡完全相同的情況下，通光強度關聯運算重構的物 體振幅分布曲線
圖5是在保持物臂成像透鏡不變，增加參考臂成像透鏡通光孔徑的 情況下，通過強度關聯運算重構的物體振幅分布曲線。
圖6是在物臂成像透鏡不變，減小參考臂成像透鏡焦距的情況K， 通過強度關聯運算重構的物體振幅分布曲線。
具體實施例方式
下面結合實例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發 明的保護范圍。
先請參閱圖l，圖1是本發明的結構示意圖。由圖可見，本發明強度關 聯量子成像顯微鏡，包括一脈沖光源1，該脈沖光源發出的光束被分束 器2分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束方向依次是待測物體 3、物臂成像透鏡4和物臂探測器5構成的物臂，所述的物臂探測器5 位于所述的物臂成像透鏡4的像平面；在所述的反射光束方向依次是虛 擬平面7、參考臂成像透鏡8和參考臂探測器9構成參考臂，所述的參 考臂探測器9位于所述的參考臂成像透鏡8的像平面；所述的物臂探測 器5和參考臂探測器9分別經第一數據采集卡6和第二數據采集卡10 接計算機12,該計算機12具有強度關聯運算軟件，該計算機12通過同 步信號發生器11分別與所述的光源1、物臂探測器5和參考臂探測器9 相連，所述的參考臂成像透鏡8具有高數值孔徑。
待測物體3與分束器2相距為《，物臂成像透鏡4對待測物體3成像， 物臂探測器5位于物臂成像物鏡4的像平面上。所述的反射光束進入由參考臂成像透鏡8和參考臂探測器9組成的參考臂。為定義參考臂成像透鏡8的 位置，我們引入虛擬平面7，其位置與物臂上待測物體3位置大致對稱即可， 當完全對稱時，即虛擬平面與分束器距離也為dQ，通過強度關聯運算獲得圖 像效果最佳。參考臂成像透鏡8的對虛擬平面成像，參考臂探測器9位于參 考臂成像透鏡8的像平面上。工作時，計算機12控制同步信號發生器11產 生脈沖信號同步觸發脈沖式光源l、物臂探測器5和參考臂探測器9。在每一 個脈沖信號驅動下，物臂探測器5和參考臂探測器9將探測到的光強信息經 過第一數據采集卡6和第二數據采集卡10轉化為數字信號存儲到計算機12 中。經過一定量脈沖采樣后，計算機12對存儲的數據進行強度關聯運算即可 重構待測物體3的圖像。
下面通過實驗驗證本發明的技術效果
實驗中用到的待測物體是一個縫寬為90微米，縫間距為180微米的 透射型雙縫，其一維振幅透過率分布如圖2所示。照明光的波長為532 納米。
1、 在物臂成像透鏡4通光孔徑為3毫米，焦距為400毫米，放大率 為1的情況下，通過物臂探測器5單獨拍攝到雙縫振幅分布曲線，如圖 3所示。其單縫的半高寬為177微米，和理論上的瑞利判據S^0.61入 /NA^173微米基本吻合，這里NA表示物鏡的數值孔徑。
2、 保持物臂成像透鏡不變，在參考臂使用一個和物臂成像透鏡4完 全相同的參考臂成像透鏡8，將兩臂探測器獲得光強數值信號輸入計算 機12進行強度關聯運算得到一個分辨率較高的圖像圖4。其單縫的半高 寬為130微米，相比于圖3，分辨率提高了 177/130^1. 36倍。
3、 在2的基礎上，增加參考臂成像透鏡8的通光孔徑到6毫米，將 兩臂探測器獲得光強數值信號輸入計算機12進行強度關聯運算可以得 到更高分辨率的圖像如圖5。其單縫的半高寬為81微米，相比于圖3， 分辨率提高了 177/81^2. 19倍4、仍然保持物臂成像透鏡不變，在參考臂使用短焦距(250毫米)的 成像透鏡8，通光孔徑為3毫米，放大率為1。將兩臂探測器獲得光強數 值信號輸入計算機12進行強度關聯運算同樣可以獲得高分辨率的圖像， 如圖6所示。其單縫的半高寬為79微米，相比于圖3，分辨率提高了 177/79^2. 24倍。
權利要求
1. 一種強度關聯量子成像顯微鏡，其特征在于包括一脈沖光源(1)，該脈沖光源(1)發出的光束被分束器(2)分成透射光束和反射光束，在所述的透射光束方向依次是待測物體(3)、物臂成像透鏡(4)和物臂探測器(5)構成的物臂，所述的物臂探測器(5)位于所述的物臂成像透鏡(4)的像平面；在所述的反射光束方向依次是虛擬平面(7)、參考臂成像透鏡(8)和參考臂探測器(9)構成參考臂，所述的參考臂探測器(9)位于所述的參考臂成像透鏡(8)的像平面；所述的物臂探測器(5)和參考臂探測器(9)分別經第一數據采集卡(6)和第二數據采集卡(10)接計算機(12)，該計算機(12)具有強度關聯運算軟件，該計算機(12)通過同步信號發生器(11)分別與所述的脈沖光源(1)、物臂探測器(5)和參考臂探測器(9)相連，所述的參考臂成像透鏡(8)具有高數值孔徑。
2、根據權利要求1所述的強度關聯量子成像顯微鏡，其特征在于所 述的脈沖光源(1)是空間非相干脈沖光源。
全文摘要
一種強度關聯量子成像顯微鏡，其特點是包括一脈沖光源，該脈沖光源發出的光束被分束器分成透射光束和反射光束，所述的透射光束方向依次是待測物體、物臂成像透鏡和物臂探測器構成的物臂，所述的反射光束方向依次是虛擬平面、參考臂成像透鏡和參考臂探測器構成參考臂，所述的物臂探測器和參考臂探測器分別經第一數據采集卡和第二數據采集卡接計算機，該計算機具有強度關聯運算軟件，該計算機通過同步信號發生器分別與所述的脈沖光源、物臂探測器和參考臂探測器相連，所述的參考臂成像透鏡具有高數值孔徑。本發明通過增加參考臂成像透鏡的數值孔徑即可以獲得高分辨率的圖像。
文檔編號A61B1/00GK101281292SQ20081003753
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月16日 優先權日2008年5月16日
發明者張鵬黎, 夏 沈, 韓申生, 龔文林 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所