本发明公开了一种基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿方法，包括：将准直后的激光光束进行相位调制得到双螺旋照明光束，并投射到位于三维纳米扫描平台上的待测样品，并得到反射光束；反射光束经聚焦为具有两个强度峰值的聚焦光斑，利用光电感应器件接收聚焦光斑，得到光斑强度分布信息；根据光斑强度分布信息计算两个强度峰值之间的连线与水平方向的夹角；利用夹角和样品轴向漂移量的关系建立标定函数；当待测样品发生轴向位置漂移时，利用实时测得的夹角，根据标定函数得到当前样品轴向漂移量，然后调整三维纳米扫描平台的轴向位置，完成对待测样品的轴向位置的校正。本发明还公开了一种基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿装置。
1.一种基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将准直后的激光光束入射至空间光调制器内进行相位调制，得到双螺旋照明光束，所述的双螺旋照明光束的聚焦光斑呈现出两个强度峰值，且这两个强度峰值之间的连线在光束传播方向上具有旋转特性，即在不同的轴向位置，两个强度峰值之间连线与水平方向的夹角是不同的；
2)所述的双螺旋照明光束经聚焦投射到位于三维纳米扫描平台上的待测样品，经待测样品反射并被显微物镜收集得到反射光束；
3)所述反射光束经聚焦得到具有两个强度峰值的聚焦光斑，并利用光电感应器件接收所述的聚焦光斑，得到光斑强度分布信息；
4)根据所述的光斑强度分布信息计算两个强度峰值之间的连线与水平方向的夹角；
5)利用所述的夹角和样品轴向漂移量的关系建立标定函数；
6)当待测样品发生轴向位置漂移时，重复步骤1)～4)，得到实时测量的夹角，根据所述的标定函数计算当前的样品轴向漂移量，并依据当前的样品轴向漂移量调整所述三维纳米扫描平台的轴向位置，完成对待测样品的轴向位置的校正。
2.如权利要求1所述的基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿方法，其特征在于，所述空间光调制器的相位调制函数f(ρ,φ)为f(ρ,φ)＝arg[U(ρ,φ,0)]
U(ρ,φ,z)＝Σumn(ρ,φ,z),n＝0,1,2,…,m＝2n+1其中，(ρ,φ,z)为以显微物镜的焦点为原点的柱坐标系的三个坐标分量，umn(ρ,φ,z)为第mn阶GL基模复光场，arg为复数的辐角函数。
3.如权利要求2所述的基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿方法，其特征在于，所述第mn阶GL基模复光场umn(ρ,φ,z)为：其中，w0为激光光束的束腰半径，i为虚数单位， λ为所用激光光束的波长， 为第mn阶拉盖尔多项式。
4.如权利要求3所述的基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿方法，其特征在于，所述(m,n)取值为(1,0)，(3,1)，(5,2)，(7,3)和(9,4)。
5.如权利要求1所述的基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿方法，其特征在于，所述的光电感应器件为高速电荷耦合器件。
6.一种用于实现如权利要求1～5任一项所述样品轴向漂移检测及补偿方法的装置，其特征在于，包括：激光器，用于发出激光光束的激光器；
显微物镜，用于将所述空间光调制器出射的光束聚焦至待测样品，并收集经所述待测样品发射的反射光束；
光电感应器件，接收所述的聚焦光斑，并得到光斑强度分布信息；
以及与所述三维纳米扫描平台和光电感应器件连接的计算机。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的激光器和空间光调制器之间依次布置有单模光纤、准直透镜和反射镜。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述空间光调制器的相位调制函数f(ρ,φ)为f(ρ,φ)＝arg[U(ρ,φ,0)]
U(ρ,φ,z)＝Σumn(ρ,φ,z),n＝0,1,2,…,m＝2n+1其中，(ρ,φ,z)为以显微物镜的焦点为原点的柱坐标系的三个坐标分量，umn(ρ,φ,z)为第mn阶GL基模复光场，arg为复数的辐角函数；
所述第mn阶GL基模复光场umn(ρ,φ,z)为：其中，w0为激光光束的束腰半径，i为虚数单位， λ为所用激光光束的波长， 为第mn阶拉盖尔多项式。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述(m,n)取值为(1,0)，(3,1)，(5,2)，(7,3)和(9,4)。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的光电感应器件为高速电荷耦合器件。
基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿方法和装置
技术领域
[0001] 本发明属于高精度、超分辨显微领域，特别涉及一种基于双螺旋光束的样品轴向漂移实时检测及补偿方法和装置。
背景技术
[0002] 由于热漂移、应力漂移等因素的影响，超分辨显微系统中的待测样品不可避免地会在轴向上发生位置漂移，从而发生离焦现象，影响显微成像的精度。对于需要对同一样品面进行多次重复成像的显微方法（比如基于单分子定位的超分辨显微术）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成像的并非为同一样品面。因此，一种可以实时对样品的轴向位置漂移进行检测并进行补偿的方法在显微系统中具有十分重要的应用价值。
[0003] 近年来，研究人员们陆续提出了多种样品轴向位置校正方法。其中，基于光学的方法以其非接触、对样品影响小等优势应用最为广泛。然而，目前基于光学的样品轴向补偿方法多是基于共焦系统，虽然具有较好的测量精度，但是系统的调试与操作都较为复杂，从而在一定程度上限制了这些方法在实际中的应用。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种基于双螺旋光束的样品轴向漂移实时检测及补偿方法和装置，可以实现对于样品轴向位置漂移的实时高精度、大范围测量并进行校正。该种方法及装置便于搭建，操作简单，可以广泛地应用于各种光学显微系统之中，保证显微样品始终位于显微物镜的焦平面处。
[0005] 一种基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿方法，包括以下步骤：
[0006] 1）将准直后的激光光束入射至空间光调制器内进行相位调制，得到双螺旋照明光束，所述的双螺旋照明光束的聚焦光斑呈现出两个强度峰值，且这两个强度峰值之间的连线在光束传播方向上具有旋转特性；
[0007] 2）所述的双螺旋照明光束经聚焦投射到位于三维纳米扫描平台上的待测样品，经待测样品反射并被显微物镜收集得到反射光束；
[0008] 3）所述反射光束经聚焦得到具有两个强度峰值的聚焦光斑，并利用光电感应器件接收所述的聚焦光斑，得到光斑强度分布信息；
[0009] 4）根据所述的光斑强度分布信息计算两个强度峰值之间的连线与水平方向的夹角；
[0010] 5）利用所述的夹角和样品轴向漂移量的关系建立标定函数；
[0011] 6）当待测样品发生轴向位置漂移时，重复步骤1）～4），得到实时测量的夹角，根据所述的标定函数计算当前的样品轴向漂移量，并依据当前的样品轴向漂移量调整所述三维纳米扫描平台的轴向位置，完成对待测样品的轴向位置的校正。
[0012] 所述空间光调制器的相位调制函数f(ρ,φ)设置为若干种不同GL基模复光场叠加场的相位分量，即，
[0013] U(ρ,φ,z)= ∑umn(ρ,φ,z),n=0,1,2,…,m=2n+1
[0014] f(ρ,φ)=arg[U(ρ,φ,0)]
[0015] 其中，(ρ,φ,z)为以显微物镜理想焦点为原点的柱坐标系的三个坐标分量，umn(ρ,φ,z)为第mn阶GL基模复光场，arg为复数的辐角函数。
[0016] 具体地，第mn阶GL基模复光场umn(ρ,φ,z)的表达式为，
[0017]
[0018]
[0019] 其中，w0为激光光束的束腰半径，i为虚数单位， λ为所用激光光束的波长， 为第mn阶拉盖尔多项式。
[0020] 优选的技术方案中，所设置复光场为五种不同GL基模复光场的叠加，具体(m,n)取值为(1,0)，(3,1)，(5,2)，(7,3)和(9,4)。
[0021] 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:Charge Couple Device）。
[0022] 本发明还提供了一种用于实现上述方法的装置，包括：
[0023] 激光器，用于发出激光光束的激光器；
[0024] 空间光调制器，用于对所述激光光束进行相位调制；
[0025] 三维纳米扫描平台，用于放置待测样品；
[0026] 显微物镜，用于将所述空间光调制器出射的光束聚焦至待测样品，并收集经所述待测样品反射的反射光束；
[0027] 场镜，用于聚焦所述的反射光束并得到聚焦光斑；
[0028] 光电感应器件，接收所述的聚焦光斑，并得到光斑强度分布信息；
[0029] 以及与所述三维纳米扫描平台和光电感应器件连接的计算机。
[0030] 所述的激光器和空间光调制器之间依次布置有单模光纤、准直透镜和反射镜。所述单模光纤的出射端面位于所述准直透镜的物方焦点处，所述光电感应器件位于所述场镜的像方焦点处；
[0031] 所述空间光调制器用于对照明光束进行相位编码，具体相位调制函数f(ρ,φ)设置为若干种不同GL基模复光场叠加场的相位分量，所述空间光调制器的相位调制函数f(ρ,φ)为
[0032] f(ρ,φ)=arg[U(ρ,φ,0)]
[0033] U(ρ,φ,z)= ∑umn(ρ,φ,z),n=0,1,2,…,m=2n+1
[0034] 其中，(ρ,φ,z)为以显微物镜的焦点为原点的柱坐标系的三个坐标分量，umn(ρ,φ,z)为第mn阶GL基模复光场，arg为复数的辐角函数；
[0035] 所述第mn阶GL基模复光场umn(ρ,φ,z)为：
[0036]
[0037]
[0038] 其中，w0为激光光束的束腰半径，i为虚数单位， λ为所用激光光束的波长， 为第mn阶拉盖尔多项式。
[0039] 优选的技术方案中，所设置复光场为五种不同GL基模复光场的叠加，具体(m,n)取值为(1,0)，(3,1)，(5,2)，(7,3)和(9,4)。
[0040] 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:Charge Couple Device）。
[0041] 本发明原理如下：
[0042] GL模光束是亥姆赫兹方程在近轴条件下的解。任意的空间光场总是可以分解成若干个不同的GL基模的复光场的叠加。当若干个特定的GL基模叠加时可以产生双螺旋光束。所谓双螺旋光束是旋转光束的一种，在一定的空间范围内，光束的光场能量保持不变，光场分布情况不变，变化的仅仅是位相、以及光场分布的一种趋向。特别地，双螺旋光束经过透镜聚焦之后，所成聚焦光斑会呈现出两个强度峰值，并且这两个强度峰值之间连线在光束传播方向上具有旋转特性，即在不同的轴向位置，两个强度峰值之间连线与水平方向的夹角是不同的。
[0043] 基于双螺旋光束的这一特性，本发明利用空间光调制器对照明光束进行相位调制，从而形成双螺旋照明光束。当待测样品在轴向上发生漂移时，所述双螺旋照明光束在样品面上所成聚焦光斑中两个强度峰值的连线指向角会发生改变，相应的监控光束聚焦后在光电感应器件上所成光斑中两个强度峰值的连线指向角也会发生改变。通过标定监控光束在光电感应器件上所成光斑的指向角与样品轴向漂移量的关系，便可以实现对于样品轴向漂移的实时检测与补偿。
[0044] 相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
[0045] （1）装置结构简单，调试与操作方便；
[0046] （2）具有较高的测量灵敏度和较大的测量范围；
[0047] （3）便于引入显微系统中进行应用。
附图说明
[0048] 图1为本发明中基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿装置的示意图；
[0049] 图2为本发明中所用空间光调制器的相位调制函数分布示意图；
[0050] 图3为本发明中样品不同离焦位置时光电感应器件上所得光斑的强度分布图。
具体实施方式
[0051] 下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
[0052] 如图1所示，一种基于双螺旋光束的样品轴向漂移检测及补偿装置，包括：激光器1，单模光纤2，准直透镜3，反射镜4，空间光调制器5，分光棱镜6，显微物镜7，三维纳米扫描平台8，场镜9，光电感应器件10，计算机11。
[0053] 其中，单模光纤2、准直透镜3、反射镜4、空间光调制器5、分光棱镜6、显微物镜7和三维纳米扫描平台8依次位于激光器1的出射光光路的光轴上，显微物镜7将光线聚焦到位于三维纳米扫描平台8的待测样品上。
[0054] 场镜9和光电感应器件10依次位于监控光束光路的光轴上，监控光束光路的光轴与激光器1出射的照明光束的光轴垂直，监控光束为待测样品反射回来的照明光束经分光棱镜6分光后的反射光线。
[0055] 计算机11同时连接光电感应器件10和三维纳米扫描平台8。
[0056] 其中，单模光纤2的出射端面位于准直透镜3的物方焦点处，光电感应器件10位于监控光束聚焦透镜11的像方焦点处。
[0057] 其中，空间光调制器5的相位调制函数f(ρ,φ)设置为五种不同GL基模复光场叠加场的相位分量，即，
[0058] U(ρ,φ,z)= ∑umn(ρ,φ,z);(m,n)=(1,0),(3,1),(5,2),(7,3),(9,4)[0059] f(ρ,φ)=arg[U(ρ,φ,0)]
[0060] 其中，(ρ,φ,z)为以显微物镜理想焦点为原点的柱坐标系的三个坐标分量，umn(ρ,φ,z)为第mn阶GL基模复光场，arg为复数的辐角函数。
[0061] 具体地，第mn阶GL基模复光场umn(ρ,φ,z)的表达式为，
[0062]
[0063] 其中，w0为所用激光光束的束腰半径，i为虚数单位， λ为所用激光光束的波长， 为第mn阶拉盖尔多项式。
[0064] 上述装置中，光电感应器件为高速电荷耦合器件（CCD:Charge Couple Device）。
[0065] 采用图1所示的装置，其工作过程为：
[0066] 从激光器1发出的照明光束，首先被导入单模光纤2，从单模光纤2出射的照明光束，经过准直透镜3完成准直。
[0067] 经过准直后的照明光束经反射镜4反射后，入射到空间光调制器5中接受相位调制，形成双螺旋照明光束；空间光调制器5的相位调制函数分布如图2所示。
[0068] 双螺旋照明光束透过分光棱镜6，之后经显微物镜7聚焦投射到位于三维纳米扫描平台8上的待测样品之上。
[0069] 经待测样品反射的照明光束经显微物镜7收集后，经分光棱镜6反射作为监控光束。
[0070] 监控光束由场镜9聚焦之后，形成双螺旋聚焦光斑由光电感应器件10接收，并将光斑强度分布信息传送至计算机11。
[0071] 计算机11根据所得到的光斑强度分布信息计算得出双螺旋光斑的光斑指向与水平方向的夹角（双螺旋聚焦光斑具有两个强度峰值，两个强度峰值之间的连线与水平方向的夹角，即为双螺旋光斑的光斑指向与水平方向的夹角），并标定该夹角（也称为聚焦光斑指向角）与样品轴向漂移量的关系，将此关系式作为系统的标定函数。
[0072] 当待测样品发生轴向位置漂移时，计算机11根据所测得的监控光束聚焦光斑指向角在标定好的系统内跟踪查询到相应的待测样品的轴向位置漂移量，并据此发出指令调整三维纳米扫描平台8的轴向位置，实现对待测样品的轴向位置的校正。
[0073] 具体来说：
[0074] 本实施例采用CCD作为光电感应器件10，此时根据CCD上聚焦光斑的强度分布，可以计算得出监控光束的聚焦光斑指向角。将待测样品放在三维纳米扫描平台8上，通过调整三维纳米扫描平台8的轴向位置，并实时记录CCD上监控光束聚焦光斑的强度分布，计算出监控光束聚焦光斑指向角，从而得到光斑指向角与待测样品的轴向位置漂移量的关系，把这个关系式作为系统标定函数输入计算机11，完成系统的标定。
[0075] 当待测样品发生轴向位置漂移时，CCD将监控光束的聚焦光斑强度分布传送给计算机11，计算机11计算出相应的光斑指向角后，在标定好的系统内跟踪查询到相应的待测样品的轴向位置漂移量，并据此发出指令调整三维纳米扫描平台8的轴向位置，即可实现待测样品轴向位置的校正。
[0076] 为了进一步检验上述装置和方法的实际效果，本实施例分别记载了待测样品不同轴向位置漂移量下，相应的监控光束聚焦光斑的光强分布情况，具体如图3所示，其中z0为所用激光光束的瑞利长度。在图3中，a图为z=-2.5z0形成的聚焦光斑的光强分布图，b图为z=-z0形成的聚焦光斑的光强分布图，c图为z=0形成的聚焦光斑的光强分布图，d图为z=z0形成的聚焦光斑的光强分布图，e图为z=2.5z0形成的聚焦光斑的光强分布图，由此可知，通过测量监控光束聚焦光斑的光强分布，可以简单有效地完成对于待测样品轴向漂移的实时检测与补偿。
