一种生成准无衍射光片的光瞳掩模及其优化设计方法

本申请涉及生物显微成像领域，特别涉及一种生成准无衍射光片的光瞳掩模及其优化设计方法。

背景技术：

1、光片荧光显微技术采用正交光路设计，用一层薄光片从侧面激发样品，并在垂直于光片的方向上利用显微物镜和数字相机拍摄样品的二维荧光图像，通过轴向扫描光片或移动样品逐面成像，即可获取不同深度处的层析图像并实现样品的三维信息重构。激发光束越薄，轴向分辨率越高，却越容易发生衍射，限制了可用的视场。解决观测视场与轴向分辨率相互制约的一种光片生成方式是采用具有无衍射特性的光束，如贝塞尔光束和艾里光束，能够大大增加可用的视场。这些具有无衍射特性的光束需要动态扫描才能形成一个光片，但扫描过程可能会错过快速移动的物体，如高通量成像流式细胞术中的样本，并产生一个瞬时峰值强度，由此可能会产生有害影响，如增大光毒性和光漂白效应。晶格光片或贝塞尔光束阵列通过在平面钟分布光来减小扫描范围、峰值强度和光漂白。

2、在平面中连续展开的光片是二维静态光片，不需要扫描，可以使用简单、廉价的柱面透镜制作。在柱面透镜前插入掩模可产生准无衍射静态光片。严格无衍射的静态光片是余弦光束，其旁瓣与主瓣一样强。余弦光束或余弦高斯光束的旁瓣既可以用作结构光，也可以使用余弦光束的谐波来抑制。静态光片和扫描光针的共同点是厚度、无衍射范围和旁瓣强度之间的矛盾。虽然可以使用分析模型单独处理这些属性，但平衡这些矛盾的解析模型尚无报道。

3、由此可见，无衍射光片具有大视野的优点，但往往伴随着显著的旁瓣并牺牲了厚度。如何从整体上对光片进行优化，在厚度、无衍射范围和旁瓣强度这三者之间达到平衡具有重要的研究意义。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种生成准无衍射光片的光瞳掩模及其优化设计方法，旨在解决现有光片无法在厚度、无衍射范围和旁瓣强度这三者之间达到平衡的问题。

2、为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种生成准无衍射光片的光瞳掩模的优化设计方法，包括以下步骤：

3、s1.根据生成准无衍射光片的光学系统的参数要求，确定光瞳掩模的结构和待求解的结构参数；

4、s2.建立综合考虑光片厚度、无衍射范围和旁瓣强度的评价函数；

5、s3.利用粒子群算法搜索所述评价函数的全局最小值，得到对应的全局最优解；

6、由所述全局最优解获取所述待求解的结构参数。

7、进一步地，所述评价函数为

8、

9、

10、其中ωr(z)的定义为峰值r倍处的最大宽度，min(ωr)为ωr(z)在柱透镜的焦点附近取得的最小值，ndr(r)是无衍射范围，定义为光片厚度发散到小于它的最小厚度的倍的距离，λ是波长。

11、进一步地，所述光瞳掩模包括幅度调制或相位调制的交替的条状区间。

12、进一步地，所述光瞳掩模的结构具有上下对称性，且所述区间的总个数为奇数。

13、进一步地，所述待求解的结构参数为所述光瞳掩模中各个区间的宽度。

14、进一步地，所述步骤s3包括：

15、s301.将待求解的结构参数构成的向量视作一个粒子，随机化每个粒子的速度与位置，并获取初代粒子群中每个粒子个体的历史最优解和粒子群体的全局最优解；

16、s302.进行迭代，在每次迭代时将每个粒子的速度与位置进行更新；

17、s303.重复上述步骤，直到解不再更新为止。

18、进一步地，所述步骤s301包括：

19、设置学习因子、惯性因子和种群规模，并将各区间宽度组成的m维向量视作一个粒子；

20、随机化每个粒子的速度与位置；以粒子的位置代表各区间宽度的数值解，以粒子的速度代表各区间宽度的数值解的变化趋势，且粒子位置和速度也均为m维向量；

21、基于所述评价函数获取初代粒子群中每个粒子个体的历史最优解和粒子群体的全局最优解。

22、进一步地，所述步骤s302包括：

23、依据以下公式更新每个粒子的速度：

24、vi,d←wvi,d+φprp(mi,d-mi,d)+φgrg(gi,d-mi,d)

25、其中i是粒子的指标，d是每个粒子的区间的指标，mi,d是每个粒子的当前位置，mi,d是每个粒子的现有最优解，gi,d是群体的现有最优解，w是惯性权重，φp是个体系数，φg是群体系数；

26、其中rp,rg为0～1之间的随机数；

27、用粒子的速度更新粒子的位置:mi,d←mi,d+vi,d；

28、根据新粒子群中每个粒子的评价函数更新每个粒子的历史最优解和粒子种群的全局最优解。

29、本发明的另一方面还提供了一种光瞳掩模，所述光瞳掩模按照上述的优化设计方法获得。

30、本发明的又一方面还提供了一种准无衍射静态光片，包括上述的光瞳掩模和柱透镜。

31、综上，本发明提供了一种生成准无衍射光片的光瞳掩模及其优化设计方法，基于粒子群算法将光瞳掩模的结构设计过程转化为求解函数的最优解，通过获取的最优解直接进行准无衍射光片的光瞳掩模结构设计，从而整体上优化了光片厚度、非衍射范围和旁瓣的光片显微。使用这种方法，光片的非衍射范围相对于高斯光束被扩大了50％，而旁瓣被抑制在20％的水平以下。该方法可应用于振幅掩模或相位掩模的设计。尤其值得一提的是优化后的相位掩模的总效率达到了50％以上。本发明所提供的由光瞳掩模产生的新型光片，可在不影响轴向分辨率的情况下，对具有扩大视场的生物样本进行成像。

技术特征：

1.一种生成准无衍射光片的光瞳掩模的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述评价函数为

3.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述光瞳掩模包括幅度调制或相位调制的交替的条状区间。

4.如权利要求3所述的优化设计方法，其特征在于，所述光瞳掩模的结构具有上下对称性，且所述区间的总个数为奇数。

5.如权利要求3所述的优化设计方法，其特征在于，所述待求解的结构参数为所述光瞳掩模中各个区间的宽度。

6.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述步骤s3包括：

7.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述步骤s301包括：

8.如权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述步骤s302包括：

9.一种光瞳掩模，其特征在于，所述光瞳掩模按照权利要求1-8任一项所述的优化设计方法获得。

10.一种准无衍射静态光片生成装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的光瞳掩模和柱面透镜，所述光瞳掩模插入在所述柱面透镜之前。

技术总结
本发明涉及一种生成薄而宽光片的光瞳掩模及其优化设计方法。薄而宽的光片对于具有大视场和近衍射极限分辨率的光片显微镜至关重要。无衍射光片的跨度范围很宽，但通常带有强旁瓣或增加的厚度。我们发展了一种数值优化方法来设计光瞳掩模以生成薄而宽的光片。该方法平衡了光片厚度、无衍射范围和旁瓣之间的矛盾。我们在理论和实验上表明，优化的掩模将静态光片的无衍射范围扩大了50％，同时使其旁瓣低于20％。据此生成的新型静态光片可以在不牺牲轴向分辨率的情况下，对样品进行更大视野成像。

技术研发人员：唐城,李剑平
受保护的技术使用者：中国科学院深圳先进技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15