專利名稱：基于量子統計的高精度光學成像裝置與方法
技術領域：
本發明屬于光學成像和光學檢測技術領域，具體涉及一種基于量子統計的光學成像裝置與方法，該光學成像方法具有突破瑞利散射極限的高精度。
背景技術：
利用光學方式分辨兩個物 體的精度受制于瑞利散射極限，其分辨本領與所用光的波長有關。如利用可見光作為探測光源，一般分辨精度在數百個納米。而現階段在各種研究和應用中，經常遇到尺度在100納米以下的分辨。在這種情況下，普通光學探測方式已經無能為力。因此，一種解決方式是利用各種昂貴的實驗儀器，如原子力顯微鏡，近場光學掃描顯微鏡或者掃描電子顯微鏡等。另外一種方式，就是利用處在不同位置的物體所輻射的光學信號在某些屬性上的可分辨性實現成像和分辨，如受激發射損耗顯微技術(stimulatedemission depletion, STED),光激活定位顯微技術(photoactivated localizationmicroscopy, PALM),隨機光學重構顯微技術(stochastic optical reconstructionmicroscopy, STORM)和飽和結構照明顯微技術(saturated structure illuminationmicroscopy, SSIM)。然而，其精度往往受制于其探測光的某些光學屬性的限制。如果不同點發射的光的屬性完全相同或相近，以上各種方法就不能使用。同時以上各種方法都需要復雜的光學和電子學系統來支持。

發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明所要解決的技術問題是當前的光學成像方法受到探測光的光學屬性的限制，不能達到100納米以下的分辨率。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發明提出一種基于量子統計的光學成像裝置，包括激光共聚焦顯微裝置、單光子計數統計裝置和主控裝置，其中，激光共聚焦顯微裝置用于激發樣品并收集樣品發射的熒光，并將該熒光導入所述單光子計數統計裝置；單光子計數統計裝置用于接收來自激光共聚焦顯微裝置的熒光信號，產生多個單光子計數信號和多光子符合計數信號，并向主控裝置輸出多個單光子計數信號和多光子符合計數信號，所述多個單光子計數信號和多光子符合計數信號用于重構樣品圖像；主控裝置分別連接于所述激光共聚焦顯微裝置和單光子計數統計裝置，用于產生控制信號并分別輸出給激光共聚焦顯微裝置和單光子計數統計裝置，以控制激光共聚焦顯微裝置的共聚焦掃描與單光子計數統計裝置的數據采集同步。根據本發明的一種具體實施方式
，所述單光子計數統計裝置包括兩個單光子探測器、一個延時器、一個光子符合計數裝置和一個多通道分析儀，所述兩個單光子探測器根據輸入的熒光信號分別產生單光子計數信號；所述光子符合計數裝置用于根據上述兩個單光子計數信號產生雙光子符合計數信號和時間幅度轉換信號。
根據本發明的一種具體實施方式
，所述光子符合計數裝置包括兩個輸入端和兩個輸出端，兩個輸入端分別用于輸入由所述光子探測器產生的單光子計數信號，其中一個輸入端與所述光子探測器之間具有一個延時裝置，兩個輸出端分別用于輸出時間幅度轉換信號和雙光子符合計數信號。根據本發明的一種具體實施方式
，所述延時裝置是加長的信號線。根據本發明的一種具體實施方式
，所述時間幅度信號輸出到多通道分析儀，所述多通道分析儀用于對多個時間幅度轉換信號進行統計，得到雙光子符合計數信號的強度與所述兩個單光子計數信號之間的時間間隔的關系，以確定雙光子符合計數的零點位置。
本發明還提出一種基于量子統計的光學成像方法，包括如下步驟將激光照射到樣品上；對樣品上發射的熒光進行單光子計數，產生多個單光子計數信號；根據所述多個單光子計數信號產生多光子符合計數信號；對多光子符合計數信號和多個單光子計數信號的強度圖像進行處理，獲得分辨率小于瑞利極限的樣品圖像。根據本發明的一種具體實施方式
，所述多光子符合計數信號包括N個光子的符合計數信號、N-I個光子的符合計數信號、……、2個光子的符合計數信號，其中N為發光點的個數。根據本發明的一種具體實施方式
，使用公式
權利要求
1.一種基于量子統計的光學成像裝置，其特征在于，包括激光共聚焦顯微裝置(I)、單光子計數統計裝置(2)和主控裝置(3)，其中， 激光共聚焦顯微裝置(I)用于激發樣品并收集樣品發射的熒光，并將該熒光導入所述單光子計數統計裝置(2); 單光子計數統計裝置(2)用于接收來自激光共聚焦顯微裝置(I)的熒光信號，產生多個單光子計數信號和多光子符合計數信號，并向主控裝置(3)輸出多個單光子計數信號和多光子符合計數信號，所述多個單光子計數信號和多光子符合計數信號用于重構樣品圖像； 主控裝置(3)分別連接于所述激光共聚焦顯微裝置(I)和單光子計數統計裝置(2)，用于產生控制信號并分別輸出給激光共聚焦顯微裝置(I)和單光子計數統計裝置(2)，以控制激光共聚焦顯微裝置(I)的共聚焦掃描與單光子計數統計裝置(2)的數據采集同步。
2.如權利要求I所述的基于量子統計的光學成像裝置，其特征在于，所述單光子計數統計裝置(2)包括兩個單光子探測器(D1、D2)、一個延時器(DL)、一個光子符合計數裝置(TAC)和一個多通道分析儀(MCA)， 所述兩個單光子探測器(D1、D2)根據輸入的熒光信號分別產生單光子計數信號； 所述光子符合計數裝置(TAC)用于根據上述兩個單光子計數信號產生雙光子符合計數信號和時間幅度轉換信號。
3.如權利要求2所述的基于量子統計的光學成像裝置，其特征在于，所述光子符合計數裝置(TAC)包括兩個輸入端和兩個輸出端，兩個輸入端分別用于輸入由所述光子探測器(DU D2)產生的單光子計數信號，其中一個輸入端與所述光子探測器之間具有一個延時裝置(DL)，兩個輸出端分別用于輸出時間幅度轉換信號和雙光子符合計數信號。
4.如權利要求3所述的基于量子統計的光學成像裝置，其特征在于，所述延時裝置(DL)是加長的信號線。
5.如權利要求2所述的基于量子統計的光學成像裝置，其特征在于，所述時間幅度信號輸出到多通道分析儀(MCA)中，所述多通道分析儀(MCA)用于對多個時間幅度轉換信號進行統計，得到雙光子符合計數信號的強度與所述兩個單光子計數信號之間的時間間隔的關系，以確定雙光子符合計數的零點位置。
6.一種基于量子統計的光學成像方法，其特征在于，包括如下步驟 將激光照射到樣品上； 對樣品上發射的熒光進行單光子計數，產生多個單光子計數信號； 根據所述多個單光子計數信號產生多光子符合計數信號； 對多光子符合計數信號和多個單光子計數信號的強度圖像進行處理，獲得分辨率小于瑞利極限的樣品圖像。
7.如權利要求6所述的基于量子統計的光學成像方法，其特征在于，所述多光子符合計數信號包括N個光子的符合計數信號、N-I個光子的符合計數信號、……、2個光子的符合計數信號，其中N為發光點的個數。
8.如權利要求6所述的基于量子統計的光學成像方法，其特征在于，使用公式
9.如權利要求6所述的基于量子統計的光學成像方法，其特征在于，所述雙光子符合計數的取樣窗口寬度設置為小于突光壽命的5倍。
10.如權利要求9所述的基于量子統計的光學成像方法，其特征在于，所述雙光子符合計數的取樣窗口寬度為2ns。
全文摘要
本發明公開了一種基于量子統計的光學成像裝置，包括激光共聚焦顯微裝置(1)、單光子計數統計裝置(2)和主控裝置(3)，其中，激光共聚焦顯微裝置(1)用于激發樣品并收集樣品發射的熒光，并將該熒光導入所述單光子計數統計裝置(2)；單光子計數統計裝置(2)用于接收來自激光共聚焦顯微裝置(1)的熒光信號，產生多個單光子計數信號和多光子符合計數信號，并向主控裝置(3)輸出多個單光子計數信號和多光子符合計數信號；主控裝置(3)分別連接于所述激光共聚焦顯微裝置(1)和單光子計數統計裝置(2)，用于產生控制信號并分別輸出給激光共聚焦顯微裝置(1)和單光子計數統計裝置(2)，以控制激光共聚焦顯微裝置(1)的共聚焦掃描與單光子計數統計裝置(2)的數據采集同步。本發明能提供相鄰物體的高精度成像和分辨，其精度不受瑞利極限限制。
文檔編號G02B21/36GK102902056SQ20121036458
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者孫方穩, 崔金明, 郭光燦 申請人:中國科學技術大學