一种基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置，入射光通过偏振器和滤波片的组合转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射待测样品，通过样品的透射光经过显微物镜和中继镜后入射到微结构空间滤波器，微结构空间滤波器对于两种正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光施加两个不同的附加相位，并且反转其所具有的圆偏振态，经过微结构空间滤波器的透射光再通过成像透镜以及交叉圆偏振器后成像在图像获取装置上。本发明专利技术显微成像装置不需要外加电控等有源设备就可以实现普通明场成像与相差成像模式的实时切换，因而可以快速获得振幅型和相位型成像物体的整体形貌以及边缘形态等信息，从而具有十分重要的科学意义和实用价值。

A dual mode optical micro imaging device based on polarization control of incident light

【技术实现步骤摘要】
一种基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置
本专利技术属于微纳光学领域，特别涉及一种可以利用入射光偏振态来控制成像模式的显微成像装置。
技术介绍
光学显微镜的主要目的是放大微小的物体用于人眼观测。自诞生以来，就成为了人类洞察世界的新手段，广泛应用于生物医学，材料学，物理化学等诸多领域。由于它的重要性，人们对显微镜技术的改进从未停止过。甚至到目前，它仍是一个非常活跃的研究领域。普通光学显微镜主要以明场成像模式为主。然而许多生物样品(组织、细胞、细菌等)并不含有天然色素，所以其可以被认为是相位型物体而非振幅型物体，样品的光线差别非常小，所以使用传统的成像模式无法对其进行有效识别。对样品进行标记染色是一种常规的手段，染色后的样品改变了光线的亮度和颜色，从而获得了较大的对比度，但带来的问题是样品的形变和生命体的死亡。为了解决这些问题，相差显微技术在1957年被提出。相差显微技术不同于普通明暗场的成像技术，它主要对所观察的物体边缘形态进行成像，所以其在对相位型物体的科学研究和医学检测中有重要应用，比如用于血液中寄生虫检查和某些活细胞观察，用于辨认新鲜尿液中各种细胞和管型，特别是透明管型、白细胞、肾小管上皮细胞以及红细胞形态的分类，用于细菌、螺旋体、真菌孢子的快速辨认等。由于普通成像模式与相差成像模式能够分别反映振幅型物体和相位型物体不同维度的形貌信息，因而何如把两者集成在一套显微成像装置中并且可以实现模式动态切换就具有十分重要的科学意义和实用价值。专利技术目的本专利技术目的是提供一种只需要通过改变入射光两种正交的偏振状态，例如正交线偏振态、正交圆偏振态以及正交椭圆偏振态，就可以控制显微系统实现普通明场成像与相差成像两种不同的成像模式，完全不需要外加电场或磁场等有源控制方式的可以利用入射光偏振态控制控制成像模式的显微成像装置。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置，包括：光源、依次远离所述光源并设置于所述光源的出射光路上的偏振器、滤波片、显微物镜、中继镜、微结构空间滤波器、成像透镜、交叉圆偏振器和图像获取装置；待测样品放置在滤波片和显微物镜之间，入射光通过偏振器和滤波片的组合转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射待测样品，通过样品的透射光经过显微物镜和中继镜后入射到微结构空间滤波器，微结构空间滤波器对于两种正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光施加两个不同的附加相位，并且反转其所具有的圆偏振态，经过微结构空间滤波器的透射光再通过成像透镜以及交叉圆偏振器后成像在图像获取装置上。进一步的，微结构空间滤波器包括透明基底和设置在基底表面的微结构柱阵列，所述微结构柱阵列的周期和高度接近波长尺寸，并满足以下条件：其中：为微结构长轴和短轴的附加相位，θ为微结构的转角。进一步的，微结构采用氧化钛、氧化铪、氧化硅、硅、氮化硅、铝、银或金材料。进一步的，透明基底为透明石英。进一步的，微结构空间滤波器采用以下方法制备而成：(1)在透明基底表面旋涂一层PMMA，并通过热蒸发在PMMA层上涂10nm的铝；(2)在125千伏的加速电压下完成电子束光刻操作，并使用醋酸乙酯显影120秒，然后使用原子层沉积技术在透明基底表面生长一层150nm厚的微结构，生长温度为90℃；(3)使用Cl2和BCl3的混合气体，对微结构进行电感耦合等离子体反应离子刻蚀，直至到达PMMA层；(4)将透明基底置于紫外线照射下，然后用n-甲基-2-吡咯烷酮浸泡，除去了余下的PMMA，得到了透明基底表面的微结构柱阵列即微结构空间滤波器。进一步的，中继镜的数量为1～2个。进一步的，图像获取装置为成像CCD。本专利技术主要针对传统显微成像技术不能在普通明场成像与相差成像模式之间进行动态切换的缺陷，利用由亚波长结构构成的微结构空间滤波器组成显微成像系统来实现利用两种正交偏振态控制成像模式。该显微成像装置不需要外加电控等有源设备就可以实现普通明场成像与相差成像模式的实时切换，因而可以快速获得振幅型和相位型成像物体的整体形貌以及边缘形态等信息，并且该显微成像装置可以对从紫外到红外不同频率的入射光进行宽波长成像，从而具有十分重要的科学意义和实用价值。附图说明图1是实施例双模式光学显微成像装置光路示意图。图2是实施例成像物体及成像结果：a.由三个透光狭缝组成的成像物体；b.由常数相位构成的空间滤波函数以及计算的普通明场成像结果；c.由螺旋相位构成的空间滤波函数以及计算的相差成像结果。图3是实施例微结构空间滤波器对偏振光的转换：a.对于左旋圆偏振光入射，微结构空间滤波器执行常数相位滤波操作；b.对于右旋圆偏振光入射，微结构空间滤波器执行螺旋相位滤波操作。图4是实施例微结构空间滤波器结构示意图，其中右侧是微结构单元的侧视图和俯视图。图5是实施例微结构空间滤波器的显微镜图片：a.加工的微结构空间滤波器光学显微镜图片；b.加工的微结构空间滤波器扫描电子显微镜图片。图6是实施例双模式光学显微成像实验结果：a.左旋圆偏振光入射下，波长分别为480nm、530nm、580nm、630nm的分辨率测试版的明场成像图像；b.右旋圆偏振光入射下，波长分别为480nm、530nm、580nm、630nm的分辨率测试版的相差成像图像。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。1.双模式显微成像装置原理双模式显微成像装置系统光路示意如图1所示，主要包含的器件有偏振器、波片、显微物镜、中继镜、微结构空间滤波器、成像透镜以及成像CCD。其中关键核心部件为微结构空间滤波器。以控制正交圆偏振光为例，任意入射光可以通过偏振器和波片的组合来转化为左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)照射样品。通过样品的透射光经过显微物镜和中继镜后入射到微结构空间滤波器表面。微结构空间滤波器表面对于两种正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光会施加两个不同的附加相位，并且反转其所具有的圆偏振态。对于左旋圆偏振光，其附加相位为一个为任意常数的等相位面，并且其偏振态转换为右旋圆偏振。而对于右旋圆偏振光，其附加相位呈现为一个0～2π的螺旋相位分布，并且其偏振态转换为左旋圆偏振。经过微结构空间滤波器的透射光再通过成像透镜以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置，其特征在于包括：光源、依次远离所述光源并设置于所述光源的出射光路上的偏振器、滤波片、显微物镜、中继镜、微结构空间滤波器、成像透镜、交叉圆偏振器和图像获取装置；待测样品放置在滤波片和显微物镜之间，入射光通过偏振器和滤波片的组合转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射待测样品，通过样品的透射光经过显微物镜和中继镜后入射到微结构空间滤波器，微结构空间滤波器对于两种正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光施加两个不同的附加相位，并且反转其所具有的圆偏振态，经过微结构空间滤波器的透射光再通过成像透镜以及交叉圆偏振器后成像在图像获取装置上。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置，其特征在于包括：光源、依次远离所述光源并设置于所述光源的出射光路上的偏振器、滤波片、显微物镜、中继镜、微结构空间滤波器、成像透镜、交叉圆偏振器和图像获取装置；待测样品放置在滤波片和显微物镜之间，入射光通过偏振器和滤波片的组合转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射待测样品，通过样品的透射光经过显微物镜和中继镜后入射到微结构空间滤波器，微结构空间滤波器对于两种正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光施加两个不同的附加相位，并且反转其所具有的圆偏振态，经过微结构空间滤波器的透射光再通过成像透镜以及交叉圆偏振器后成像在图像获取装置上。


2.根据权利要求1所述的基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置，其特征在于：所述微结构空间滤波器包括透明基底和设置在基底表面的微结构柱阵列，所述微结构柱阵列的周期和高度接近波长尺寸，并满足以下条件：









其中：为微结构长轴和短轴的附加相位，θ为微结构的转角。


3.根据权利要求2所述的基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置，其特征在于：所述微结构采用氧化钛、氧化铪、氧化硅、硅、氮化硅、铝...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐挺，霍鹏程，闫峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32