一种超表面物镜和基于该超表面物镜的体视显微镜制造技术

本发明专利技术公开了一种超表面物镜和基于该超表面物镜的体视显微镜，属于光学仪器技术领域，包括衬底和单元结构；所述衬底具备柔性；所述单元结构为亚波长微纳结构，呈周期性排布在衬底上，在衬底上产生等离子体耦合共振以实现对入射光的电场调控。本发明专利技术的超表面物镜，主要通过两个相互独立的共振单元周期性排布在衬底上，由于衬底的可延展特性，可以通过外加应力改变两个共振单元的间距，从而改变两种模式的耦合强度实现等离子体耦合现象的动态可调。通过外加应力的作用可以实现表面等离子耦合峰位的调节。本发明专利技术的体视显微镜，具有可变物镜间距离以改变在目标或物体处的右和左光路之间对向的角度，从而获得不同视场角下的立体视觉显微成像。体视觉显微成像。体视觉显微成像。

【技术实现步骤摘要】
一种超表面物镜和基于该超表面物镜的体视显微镜


[0001]本专利技术属于光学仪器
，特别涉及一种超表面物镜和基于该超表面物镜的体视显微镜。

技术介绍

[0002]体视显微镜，亦称实体显微镜或解剖镜，是一种光学显微镜变体设计，用于样品的低倍率、大视场观察。该仪器采用的是伽利略光学系统，两个独立平行的光路通过一个物镜将焦点会聚到样品上，让每只眼睛获得相同差异角度，从而获得相同的立体效果，利用双目立体视觉原理实现样品的三维可视化。使用体视显微镜进行观察无需对观察对象进行加工，将其放在镜头下配合照明即可观察。体视显微镜具有较大的视场范围和低放大倍率，一般要求放大倍率在200倍以下。体视显微镜的特点如下：双目镜筒中的左右两光束不是平行的，而是具有一定的夹角——体视角一般为12
°‑
15
°
，因此成像具有三维立体感，这是在目镜下方的棱镜把像倒转过来的缘故；虽然放大率不如常规显微镜，但其工作距离很长，焦深大，便于观察被检物体的全层，视场直径大。体视显微镜通常用于研究固体标本表面，在解剖、钟表制造、显微外科、电路板制造和检查等领域具有广泛应用。
[0003]光学超表面可以根据组成单元的材料属性分为金属超表面和全电介质超表面两类。
[0004]金属超表面由金属天线构成，天线将光束限制在亚波长尺度的范围内，并通过改变天线的形状、尺寸、空间方向等几何参数实现对于光场的振幅、相位、偏振特性的调控。已经过仿真和实验证明可以用于实现2π相位覆盖的金属超表面单元结构包括U型金属天线、金属纳米棒、金属狭缝和V型金属天线等。由于金属天线的深宽比较小，实际制造难度较低，可以通过金属剥离工艺实现；但由于金属材料的本征吸收，这类超表面通常效率较低，且工作带宽较窄。
[0005]全电介质超表面的吸收损耗在高频电磁波区域可忽略，因此可以有效解决等离子超表面面临的问题。全电介质超表面通常由高折射率介质天线构成，如TiO2、SiN、Si等。根据超表面实现光场调控的机理不同，可以将全电介质超表面分为三类：基于米氏谐振的惠更斯超表面、基于波导模型的超表面和基于贝里相位的超表面。
[0006]相较于传统的多片式物镜，超表面物镜具有其独特优势。超表面物镜具有小尺寸、超薄、轻量的特性，同时也能够满足高透过率和大数值孔径的成像要求。近年来，随着微纳加工技术的进一步发展，超表面物镜的加工难度也有所下降。单片式超表面显微物镜的特有结构可以有效提高体视显微镜系统的空间利用率和便携性。因此，有必要将超表面物镜应用于体视显微镜。然而，将超表面物镜应用于体视显微镜，是一个复杂的体系，尚无这方面的研究成果发布。

技术实现思路

[0007]鉴于上述现有技术的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种超表面物镜。
[0008]本专利技术的另一目的在于提供基于该超表面物镜的体视显微镜。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采取了以下的技术方案。
[0010]一种超表面物镜，包括衬底和单元结构；所述衬底具备柔性；所述单元结构为纳米柱的亚波长微纳结构，呈周期性排布在衬底上，在衬底上产生等离子体耦合共振以实现对入射光的电场调控。
[0011]所述衬底的制备材料是聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯、双对氯甲基苯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚对二甲苯、SU
‑
8光刻胶或聚苯乙烯中的任意一种。
[0012]所述单元结构的制备材料是金属材料或高折射率电介质材料；所述金属材料为金、银、铝或铜中的一种；所述高折射率电介质材料为硅、锗、三氧化二铝、二氧化钛或氧化锌中的一种。
[0013]所述单元结构的周期P = 350 nm，纳米柱高度H = 550 nm，纳米柱直径变化范围D =50
‑
300nm。
[0014]一种超表面物镜的设计方法，包括以下步骤：步骤S1，利用仿真软件对亚波长微纳结构重复单元进行参数扫描和仿真，要求每个亚波长微纳结构重复单元的透射率达到50%以上，并且通过改变纳米柱直径实现大于2π的相位覆盖；步骤S2，超表面物镜的相位分布满足公式：其中为入射光波长，f为物镜焦距，r为焦点与物镜中心的距离；步骤S3，得到超表面物镜的相位分布后，用仿真软件对物镜进行仿真，得到该超表面物镜的聚焦效果情况，使得超表面物镜的出射光会聚于焦点位置。
[0015]一种基于超表面物镜的体视显微镜，包括上述的超表面物镜。
[0016]一种基于超表面物镜的体视显微镜，还包括镜筒、目镜和管镜；所述管镜底部安装有至少两个超表面物镜，所述管镜内部安装有主镜、聚焦镜；所述主镜接收来自超表面物镜的光束；所述聚焦镜反射从主镜接收的光至目镜上；所述管镜上方安装有镜筒；所述镜筒上方安装有目镜，目镜被设置为接收来自聚焦镜的光束。
[0017]一种基于超表面物镜的体视显微镜，还包括底座、支架、活动块；所述支架固定安装在底座上，所述活动块装配于支架；所述活动块固定安装有管镜。
[0018]本专利技术其具有以下优点：本专利技术的超表面物镜，主要通过两个相互独立的共振单元周期性排布在衬底上，由于衬底的可延展特性，可以通过外加应力改变两个共振单元的间距，从而改变两种模式的耦合强度实现等离子体耦合现象的动态可调。通过外加应力的作用可以实现表面等离子耦合峰位的调节。
[0019]本专利技术的体视显微镜，具有可变物镜间距离以改变在目标或物体处的右和左光路之间对向的角度，从而获得不同视场角下的立体视觉显微成像。
附图说明
[0020]图1为超表面物镜的结构示意图，结构由电介质材料TiO2纳米柱和可弯曲PDMS衬底构成；图2是本专利技术中入射光为520nm可见光时不同直径单元结构的相位和透过率分布图，横坐标代表参数扫描中的纳米柱直径，在50nm~300nm范围内；图3是超表面物镜的理想相位分布透射图，其中每个点都代表一种直径参数下的圆柱单元结构；图4是超表面物镜的实际单元相位分布透射图，其中每个点都代表一种直径参数下的圆柱单元结构；图5是超表面物镜在xz平面上的电场分布图；图6是超表面物镜在焦平面上沿x轴的电场分布图；图7是基于该超表面物镜的体视显微镜的立体结构示意图；图8是基于该超表面物镜的体视显微镜的光路结构示意图；图9是基于该超表面物镜的体视显微镜的光路调节示意图；图中：衬底101、单元结构102、底座1、支架2、活动块3、镜筒4、目镜5、管镜6、主镜6a、聚焦镜6b、超表面物镜7。
具体实施方式
[0021]下面结合附图，对本专利技术作进一步详细说明。
[0022]一种超表面物镜，包括衬底101和单元结构102。
[0023]图1为超表面物镜的结构示意图，如图1所示，所述衬底101具备柔性，且控制等离子体耦合共振的动态可调。
[0024]衬底101具有可弯曲、变形、生物兼容、高透明度以及良好稳定性的特点，其制备材料是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称PDMS)、聚甲基丙烯酸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超表面物镜，其特征在于，包括衬底（101）和单元结构（102）；所述衬底（101）具备柔性；所述单元结构（102）由亚波长尺寸的纳米柱构成，呈周期性排布在衬底（101）上，在衬底上产生等离子体耦合共振以实现对入射光的电场调控。2.根据权利要求1所述的一种超表面物镜，其特征在于，所述纳米柱的形状为多棱体、圆柱体、椎体中的任一种或多种。3.根据权利要求2所述的一种超表面物镜，其特征在于，当所述纳米柱为圆柱体时，所述单元结构（102）的周期P = 350 nm，纳米柱高度H = 550 nm，纳米柱直径变化范围D的变化范围为50
‑
300nm。4.根据权利要求1所述的一种超表面物镜，其特征在于，所述衬底（101）的制备材料是聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯、双对氯甲基苯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚对二甲苯、SU
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8光刻胶或聚苯乙烯中的任意一种。5.根据权利要求1所述的一种超表面物镜，其特征在于，所述单元结构（102）的制备材料是金属材料或高折射率电介质材料；所述金属材料为金、银、铝或铜中的一种；所述高折射率电介质材料为硅、锗、三氧化二铝、二氧化钛或氧化锌中的一种。6.一种根据权利要求1~5所述超表面物镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚永兴，
申请(专利权)人：杭州纳境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：