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打破光学分辨率限制 ——微球辅助实现干涉地形测量

2022-11-16 18:59| 发布者: 光执事| 查看: 365| 评论: 0

摘要: 当用光测量时,光学成像系统可以分辨的结构的横向范围基本上是衍射受限的。克服这一限制是最近研究中非常感兴趣的话题,在这一领域已经发表了几种方法。在最近发表在《光学微系统杂志》上的一项研究中,德国卡塞尔大 ...

在干涉显微镜装置中放置在样品上的微球能够对低于物理分辨率极限的结构进行地形测量。来源:作者,doi:10.1117/1.JOM.2.4.044501


当用光测量时,光学成像系统可以分辨的结构的横向范围基本上是衍射受限的。克服这一限制是最近研究中非常感兴趣的话题,在这一领域已经发表了几种方法。在最近发表在《光学微系统杂志》上的一项研究中,德国卡塞尔大学的一组研究人员提出了一种方法,该方法使用直接放置在物体表面的微球来扩展干涉形貌测量的极限,以实现小结构的光学分辨率。

 

低于分辨率极限的成像通常通过使用探针标记的系统实现,例如荧光显微镜,这需要制备样品。其他系统,如原子力显微镜,可以提供比衍射受限光学系统好20倍的横向分辨率。然而,它们依赖于触觉测量原理,这可能不适用于某些应用,尤其是在生物成像中。因此,微球辅助可以为低于衍射极限的快速无标记成像提供解决方案。

 

包括两个高分辨率显微镜物镜的Linnik干涉仪设置提供了精细结构的快速非接触形貌测量。执行深度扫描能够获取可用于重建表面形貌的相位信息。通过在成像路径中添加微球,该系统的物理衍射极限得以扩展。

 

尽管实验研究显示了有希望的结果,但考虑到相关成像机制,提高分辨率的理论解释至今仍不清楚。通过三维空间频域分析以及与严格模拟和射线追踪计算的比较,研究了相关机制。傅里叶域中的研究给出了微球传输到远场并由显微镜物镜获得的空间频率。结合对所得近场的严格模拟,这允许对微球的成像过程进行完整模拟,因此可以进行广泛的研究。此外,光线追踪能够研究单个光线在微球内的传播,因此有助于更好地理解主要的物理效应。

 

“在最近的研究和工业应用中,需要低于物理分辨率极限的快速测量系统,而不需要大量的样品制备。微球辅助干涉显微镜能够实现这种光学地形表面测量,这项工作有助于加深对潜在物理机制的理解,”论文的主要作者Lucie Hüser说。

 

研究人员的发现为更深入地理解微球辅助干涉测量提供了有用的工具,可用于扩大对微球辅助干涉的物理机制的了解。此外,包括微球在内的系统数值孔径的有效放大以及微球下相当小的视场可能是实现低于分辨率极限的地形测量的最相关机制。


该图显示(a)实验装置的示意图;(b) 具有高数值孔径的干涉显微镜的3D传递函数的横截面;以及(c)当通过微球成像时正弦表面的模拟干涉图像堆叠的横截面。来源:作者,doi 10.1117/1.JOM.2.4.044501

 

参考文献

Microsphere assistance in interference microscopy with high numerical aperture objective lenses,” J. Opt. Microsystems 2(4) 044501 2022, doi 10.1117/1.JOM.2.4.044501.

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