一种增强红外显微成像分辨率的光学系统及使用方法与流程

1.本发明涉及红外显微成像技术领域，具体涉及一种增强红外显微成像分辨率的光学系统及使用方法。


背景技术：

2.红外显微成像作为一种新兴的技术，广泛应用于科学实验研究、材料学、生物医学、和工业检测等领域。
3.但是目前由于衍射极限的限制，红外显微成像的分辨率被限制到δ＝0.61λ/na，其中λ和na分别是照射光的波长和物镜的数值孔径。一般中红外的物镜的数值孔径大约在0.6左右，因此中红外的分辨率在波长量级，难以达到观察样品的要求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷，本发明第一方面提供了一种增强红外显微成像分辨率的光学系统，其可大幅度提升中红外成像的空间分辨率。
5.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.一种增强红外显微成像分辨率的光学系统，包括：
7.红外显微增强成像光学结构，其包括衬底以及设置在衬底表面的激元层，且所述衬底上还间隔设有两个耦合光栅；
8.光学元件组件，其用于将红外光传输至所述衬底下方，以通过两个所述耦合光栅在所述激元层上形成干涉图案；
9.红外焦平面阵列探测器，其用于收集所述干涉图案。
10.一些实施例中，还包括：
11.红外显微成像重构设备，其基于所述干涉图案，以重现待测件的红外显微成像图。
12.一些实施例中，所述红外显微成像重构设备根据盲结构光照明显微图片重构迭代算法blind-sim，重现待测件的红外显微成像图，其具体过程为：
13.沿着衬底表面所在的xoy平面的x、y维度分别获取至少三张干涉图案；
14.根据公式：
15.重现待测件的红外显微成像图，其中，obj为待测件成像信息，i
i＝1,...,5
为照明模式，im
i＝1,...,6
为沿x、y维度获取的六张干涉图案，i0为常量，表示光均匀照射到物体上，psf为显微镜的点扩散函数。
16.一些实施例中，所述光学元件组件包括透镜和平面镜，所述透镜用于设置在所述衬底下方，所述平面镜可旋转调节红外光入射至所述衬底的角度。
17.一些实施例中，所述衬底为硅衬底，且所述激元层的材料为石墨烯。
18.一些实施例中，两个所述耦合光栅均为刻在所述衬底上的亚波长耦合光栅。
19.本发明第二方面提供了一种增强红外显微成像分辨率的光学系统的使用方法，其可大幅度提升中红外成像的空间分辨率。
20.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
21.一种上述增强红外显微成像分辨率的光学系统的使用方法，该方法包括以下步骤：
22.将待测件放置在所述激元层上；
23.利用光学元件组件将红外光传输至所述衬底下方，以通过两个所述耦合光栅在所述激元层上形成干涉图案；
24.利用红外焦平面阵列探测器采集所述干涉图案。
25.一些实施例中，还包括：
26.利用所述光学元件组件调节红外光入射至所述衬底的角度，以通过两个所述耦合光栅在所述激元层上形成多张干涉图案；
27.根据多张干涉图案，利用红外显微成像重构设备重现待测件的红外显微成像图。
28.一些实施例中，所述根据多张干涉图案，利用红外显微成像重构设备重现待测件的红外显微成像图，包括：
29.沿着衬底表面所在的xoy平面的x、y维度分别获取至少三张干涉图案；
30.根据公式：
31.重现待测件的红外显微成像图，其中，obj为待测件成像信息，i
i＝1,...,5
为照明模式，im
i＝1,...,6
为沿x、y维度获取的六张干涉图案，i0为常量，表示光均匀照射到物体上，psf为显微镜的点扩散函数。
32.一些实施例中，所述光学元件组件包括透镜和平面镜，将所述透镜设置在所述衬底下方，并通过旋转所述平面镜以调节红外光入射至所述衬底的角度。
33.与现有技术相比，本发明的优点在于：
34.本发明中增强红外显微成像分辨率的光学系统，其包括红外显微增强成像光学结构、光学元件组件和红外焦平面阵列探测器。通过光学元件组件将红外光传输至衬底下方，以通过两个耦合光栅在激元层上形成干涉图案，然后，便可利用红外焦平面阵列探测器来收集产生的干涉图案，基于上述干涉图案，再利用红外显微成像重构设备重现待测件的红外显微成像图。即通过强度正弦变化的中红外激子结构光将待测物体的高空间频率信息和物镜收集的低频率信息耦合到一起，从而提高了成像的分辨率。
附图说明
35.图1是本发明实施例中增强红外显微成像分辨率的光学系统的结构示意图；
36.图2是本发明实施例中采用中红外激子产生结构光照明增强红外光显微成像的傅里叶空间频率图；
37.图3是本发明实施例中增强红外显微成像分辨率的光学系统的使用方法的流程图。
38.图中：1、红外显微增强成像光学结构；11、衬底；12、激元层；13、耦合光栅；2、光学
元件组件；21、透镜；22、平面镜；3、红外焦平面阵列探测器。
具体实施方式
39.下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
41.进一步的，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
42.参见图1所示，本发明实施例公开了一种增强红外显微成像分辨率的光学系统，其包括红外显微增强成像光学结构1、光学元件组件2和红外焦平面阵列探测器3。
43.其中，红外显微增强成像光学结构1包括衬底11以及设置在衬底11表面的激元层12，且所述衬底上还间隔设有两个耦合光栅13。光学元件组件2用于将红外光传输至所述衬底11下方，以通过两个所述耦合光栅13在所述激元层12上形成干涉图案。红外焦平面阵列探测器3用于收集所述干涉图案。
44.首先，值得说明的是，当光波(电磁波)入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。
45.本发明实施例的核心的原理是强度正弦变化的中红外激子结构光将待测物体的高空间频率信息和物镜收集的低频率信息耦合到一起，从而提高成像的分辨率。
46.下面结合具体的实例来进行进一步说明：
47.在本发明实施例中，光学元件组件2包括透镜21和平面镜22，透镜21用于设置在衬底11下方，平面镜22可旋转调节红外光入射至衬底11的角度。
48.衬底11为硅衬底，并在硅衬底上刻出亚波长的耦合光栅13，其中激元层12的材料
为石墨烯，因为石墨烯表面等离激元的波矢很大，和自由空间光波矢大小不匹配，导致自由空间光不能直接耦合到石墨烯表面等离激元上，所以需要通过光栅进行耦合。
49.红外光(入射光)依次通过平面镜22、透镜21，照射衬底11的背面，由于耦合光栅13的作用，在石墨烯的表面上会产生红外表面等离子激元波，并沿着石墨烯的表面上传输，通过耦合光栅13相向传播的等离激元波会在石墨烯的表面上形成干涉图案。
50.然后，便可利用红外焦平面阵列探测器来收集产生的干涉图案，基于上述干涉图案，再利用红外显微成像重构设备重现待测件的红外显微成像图。
51.值得说明的是，利用红外显微成像重构设备重现待测件的红外显微成像图需要在衬底表面所在的xoy平面的x、y维度分别获取至少三张干涉图案，即一共六张干涉图案。在本实施例中，通过平面镜22可以控制入射到衬底11背面的角度，从而在石墨烯的表面上产生不同的等离激元干涉图案。
52.具体而言，所述红外显微成像重构设备根据盲结构光照明显微图片重构迭代算法blind-sim，重现待测件的红外显微成像图，其具体过程为：
53.沿着衬底表面所在的xoy平面的x、y维度分别获取至少三张干涉图案；
54.根据公式：
55.重现待测件的红外显微成像图，其中，obj为待测件成像信息，i
i＝1,...,5
为照明模式，im
i＝1,...,6
为沿x、y维度获取的六张干涉图案，i0为常量，表示光均匀照射到物体上，psf为显微镜的点扩散函数。
56.值得说明的是，采用本方案的中红外激子产生结构光照明增强红外光显微成像的空间分辨率为λ0/(2na 2na
eff
)，其中na
eff
定义为k
sp
/k0，k
sp
是表面激子波的波矢量，k0是自由空间光的波矢。因为空间分辨率是越小越好，可以理解的是，和现有技术中红外显微成像的分辨率被限制到δ＝0.61λ/na相比，本方案中的空间分辨率更小。
57.此外，从图2中可以看到采用红外激子结构光的方法，可以将原来仅仅由物镜决定的k
截止
的频率范围(深色圆圈)扩大到黑色虚线的可探测空间频率范围。
58.综上所述，本发明中增强红外显微成像分辨率的光学系统，其包括红外显微增强成像光学结构1、光学元件组件2和红外焦平面阵列探测器3。通过光学元件组件2将红外光传输至衬底11下方，以通过两个耦合光栅13在激元层12上形成干涉图案，然后，便可利用红外焦平面阵列探测器来收集产生的干涉图案，基于上述干涉图案，再利用红外显微成像重构设备重现待测件的红外显微成像图。即通过强度正弦变化的中红外激子结构光将待测物体的高空间频率信息和物镜收集的低频率信息耦合到一起，从而提高了成像的分辨率。
59.与此同时，参见图3所示，本发明实施例还公开了一种上述增强红外显微成像分辨率的光学系统的使用方法，该方法包括以下步骤：
60.s1.将待测件放置在所述激元层上。
61.s2.利用光学元件组件将红外光传输至所述衬底下方，以通过两个所述耦合光栅在所述激元层上形成干涉图案。
62.s3.利用红外焦平面阵列探测器采集所述干涉图案。
63.一些实施例中，还包括：
64.利用所述光学元件组件调节红外光入射至所述衬底的角度，以通过两个所述耦合光栅在所述激元层上形成多张干涉图案；
65.根据多张干涉图案，利用红外显微成像重构设备重现待测件的红外显微成像图。
66.一些实施例中，所述根据多张干涉图案，利用红外显微成像重构设备重现待测件的红外显微成像图，包括：
67.沿着衬底表面所在的xoy平面的x、y维度分别获取至少三张干涉图案；
68.根据公式：
69.重现待测件的红外显微成像图，其中，obj为待测件成像信息，i
i＝1,...,5
为照明模式，im
i＝1,...,6
为沿x、y维度获取的六张干涉图案，i0为常量，表示光均匀照射到物体上，psf为显微镜的点扩散函数。
70.一些实施例中，所述光学元件组件2包括透镜21和平面镜22，将所述透镜21设置在所述衬底下方，并通过旋转所述平面镜22以调节红外光入射至所述衬底的角度。
71.本发明中增强红外显微成像分辨率的光学系统的使用方法，通过光学元件组件2将红外光传输至衬底11下方，以通过两个耦合光栅13在激元层12上形成干涉图案，然后，便可利用红外焦平面阵列探测器来收集产生的干涉图案，基于上述干涉图案，再利用红外显微成像重构设备重现待测件的红外显微成像图。即通过强度正弦变化的中红外激子结构光将待测物体的高空间频率信息和物镜收集的低频率信息耦合到一起，从而提高了成像的分辨率。
72.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。