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无需校准：可绝对表征的显微物镜
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无需校准：可绝对表征的显微物镜

无需校准：可绝对表征的显微物镜 两江科技评论
2021-11-04
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导读：奥地利格拉茨大学物理研究所的Peter Banzer团队提出了一种表征高数值孔径显微镜物镜的方法，无需光学校准。该技术包含一个纳米粒子，作为类偶极子的散射体，放置在显微镜物镜的聚焦体积中。

撰稿 | 赵一心



01
导读

近日，奥地利格拉茨大学物理研究所的Peter Banzer团队提出了一种表征高数值孔径显微镜物镜的方法，无需光学校准。该技术包含一个纳米粒子，作为类偶极子的散射体，放置在显微镜物镜的聚焦体积中。被粒子散射的光可以被单独测量，并且在系统中作为参考波。

02
背景介绍

在光学领域，常用透射光场的相前来表征光学元件。通常这是通过干涉测量法完成的，其中光学参考元件被用来产生参考波。由于这些元件的缺陷和校准误差会直接转化为被研究设备的测量波前，它们的质量和校准决定了测量精度的上限，特别是当使用高数值孔径（NA）光学元件时，这样的校准涉及到较大的挑战。因此，开发所谓的绝对表征方法，使得这种方法在没有宏观参考对象的情况下工作，是非常可取的。
 
一种传统的测量技术如图1a所示，这里显微镜的物镜（MO1）被一个入射波面照亮，该波面在透射后具有MO1的像差。对于MO1的照明，需要增加一个光学元件，即第二个显微镜物镜（MO2），以使入射波前适应MO1。此外，望远镜用于成像，也用于匹配Shack-Hartmann传感器（SHS）的出射瞳孔（EP）的大小。这种方法中最明显的问题是辅助光线的校准，移除MO1时，来自MO2的光束不再准直，因此有必要预先确定MO作为基准，用来校准测量装置。这将回到最初的问题，即显微镜物镜的表征。
 
图1b给出了解决上述问题的替代技术。如图所示，一个球形凹面镜将从MO1出射的光进行反射，这样光束在完全相同的路径上通过物镜两次，使波前像差加倍。通过在MO1右侧放置一块已知质量较高的平面镜，可以确定入射波的像差以及分束器和望远镜的像差。但是这个系统存在另外一个误差来源，从SHS看，MO1与反射面的结合产生了MO1的出射瞳孔的两幅图像，这两幅图像不能同时成像到同一个平面。在图1b中，两个图像路径由绿色和红色箭头表示。这会影响波前表征的性能，特别是在需要精确定位微小缺陷的时候。
图1 显微镜物镜表征的几种实验方案

03
创新研究

奥地利格拉茨大学的研究团队为高数值孔径的显微镜提供了一种绝对表征方法。为了避免容易出错的光学参考元件的校准需要，这里的参考波是由一个小于波长的物体，即纳米粒子产生的。这项工作中提出的主要概念是基于利用特性良好的散射体作为近乎完美的参考波。
 
如图1c所示，入射光通过两个共焦的显微镜物镜聚焦并重新定标。一个球形的硅纳米粒子被放置在系统的联合焦平面的玻璃基板上。MO2的后焦平面通过额外的镜头成像到照相机上。
 
在测量过程中，首先将纳米粒子移动到光轴上，以捕获激发光束和偶极子发射的组合信号。图2a和图2b是实验中的远场图像，收集显微镜物镜MO2的光束分别聚焦在粒子的正面和反面。图2c是计算得到的强度和相位分布，用于检索偶极矩。图2d描述了通过MO1传输的角谱的相位分布的重建。
图2 实验和计算的远场

为了研究系统的稳定性和精度，研究人员对记录的数据进行进一步的分析。Zernike多项式在单位圆上形成一个连续的标准正交基，非常适合描述以圆瞳为特征的光学系统的像差。图3描述了Zernike展开的结果。图3a表示指数等于35以下的Zernike多项式，图3b和图3c表示相位分布。图3d和图3e是两个被研究的MO1的相位分布的重构，其右上角是基于图1b所示的方案独立记录的参考数据集。可以看出，实验结果与参考数据具有极好的一致性，显示出该方法良好的性能与精度。
图3  Zernike展开


文章信息：

该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Absolute Characterization of High Numerical Aperture Microscope Objectives utilizing a Dipole Scatterer”，Jörg S. Eismann为第一作者，Peter Banzer为通讯作者。

论文全文下载地址：

 https://doi.org/10.1038/s41377-021-00663-x

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