一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置，包括连续激光器、多个透镜、空间滤波器、波片、一个偏振分束镜、功率计、物镜、样品台、和多个反射镜，连续激光器的激光经一组透镜扩束准直并空间滤波后进入1/2波片，进行偏振方向调节。调节后的偏振光进入偏振分束棱镜将激光分为P光与S光，S光经物镜后宽场照明样品，颗粒散射光与反射光经物镜收集后进入偏振分束棱镜，该S光在偏振分束棱镜出射口形成部分正交偏振。本发明专利技术还提供一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置的成像方法。本发明专利技术通过S光偏振照明并结合正交偏振原理，有效抑制背景反射光，提高了信号对比度；同时，结合干涉散射显微成像信号增强的优势，实现对样品表面小尺寸颗粒极弱信号的高信噪比检测。面小尺寸颗粒极弱信号的高信噪比检测。面小尺寸颗粒极弱信号的高信噪比检测。
【技术实现步骤摘要】
一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置及方法
[0001]本专利技术涉及一种纳米颗粒的光学检测与成像
，尤其涉及一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置及方法。
技术介绍
[0002]纳米尺度下单分子与单颗粒等极弱信号获取对材料和生物医学研究具有重要作用。传统光学显微镜受衍射极限限制，检测能力不低于300nm。一些显微技术如扫描电子显微镜和原子力显微镜具有纳米尺度检测能力，然而，其检测效率低，且易对检测样品产生损伤。
[0003]现有单分子与单颗粒光学显微技术中，荧光显微探测具有抑制背景信号、成像效果好等优势，然而却受到光漂白、光饱和及光闪烁等影响，并且需要复杂的标记手段。基于颗粒瑞利散射的成像具有免标记、无毒性、无光漂白和拍摄时间不受限制等优势。暗场显微成像技术在暗黑背景下探测颗粒纯瑞利散射信号，具有低背景信号、高信噪比等优势。但是受限于瑞利散射极限，颗粒散射信号强度随着直径呈六次方减少，目前，暗场显微技术基本能够检测40nm以上的金颗粒。
[0004]干涉成像技术中，颗粒干涉散射信号与颗粒直径三次方成正比，能够进一步放大和检测极弱颗粒散射信号。基于此，干涉散射显微成像(iSCAT)通过样品内颗粒散射光与同路径的反射参考光在成像平面上产生干涉，提高了灵敏度与小尺寸颗粒检测能力。宽场照明结合反射式探测能够降低参考光强并获得更大的检测区域(几百微米)因而被广泛应用。然而，iSCAT技术中，背景光与信号一同被探测器接收，信号光对比度低，在检测小颗粒尺寸时，会出现信号被背景淹没情形。一种有效抑制干涉散射背景光，实现对纳米颗粒高对比度成像检测的技术是目前所没有的。
技术实现思路
[0005]为克服上述问题，本专利技术提供一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置，基于照明光路与探测光路的共路正交偏振原理，实现对背景反射信号的抑制；同时，结合干涉散射增强的优势，实现对纳米颗粒的高对比度测量与检测。
[0006]本专利技术的第一个方面提供一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置，包括偏振光源模块、照明光路、物镜(10)、样品台(11)、偏振分束镜(9)、成像模块以及调控和处理模块(16)；其中，偏振光源模块产生平行偏振连续激光，经过照明光路后在样品上产生宽场探测光斑，样品颗粒的散射光与基底反射光经过物镜(10)收集后通过成像模块进行干涉成像；调控和处理模块(16)采集与处理图像，得到颗粒干涉散射信号。
[0007]进一步，所述偏振光源模块包括依次设置的连续激光器(1)、准直透镜组第一透镜(2)、第一空间滤波器(3)、准直透镜组第二透镜(4)和半波片(5)；所述连续激光器(1)发射线偏振光，经过准直透镜组第一透镜(2)、第一空间滤波器(3)、准直透镜组第二透镜(4)后调整为平行偏振光；所述平行偏振光通过半波片(5)旋转偏振方向，旋转方向后的线偏振光
入射至照明光路。
[0008]进一步，所述连续激光器(1)为保偏连续激光器，产生偏振连续激光。
[0009]进一步，所述照明光路包括依次设置的第一全反镜(6)、可变光阑(7)、照明透镜(8)；旋转方向后的线偏振光经过第一全反镜(6)反射后进入可变光阑(7)及照明透镜(8)后由偏振分束镜(9)分为两束，其中一束为反射S偏振光，另一束为透射P偏振光；透射P偏振光进入功率计(12)监测光强，通过调整半波片(5)使功率计(12)检测的透射P偏振光强最小；反射S偏振光汇聚于物镜(10)后焦面，经过物镜(10)后产生平行宽场光斑照射样品台(11)表面产生宽场照明光斑；样品台(11)上设有被检测样品颗粒，被检测样品颗粒的散射光与基底表面的反射光一起进入物镜(10)后，经过偏振分束镜(9)进行正交偏振抑制背景反射光后入射成像模块；
[0010]进一步，所述S偏振光照明的干涉光场点扩散函数(PSF)为四瓣分布。
[0011]进一步，所述偏振分束镜(9)利用正交偏振抑制样品基底反射S偏振光。
[0012]进一步，所述偏振分束镜(9)用于将入射线偏振光分束为S偏振光与P偏振光，其中，S偏振光用于照明样品台。
[0013]进一步，所述成像模块包括依次设置的第二全反镜(13)、筒镜(14)、CMOS相机(15)；经过偏振分束镜后的颗粒散射光与背景光一起经过第二全反镜(13)、反射后通过筒镜(14)汇聚于CMOS相机(15)像面上进行干涉成像。
[0014]进一步，所述调控和处理模块(16)用于控制样品台3维位移、CMOS相机(15)拍摄以及图像处理获得干涉信号。
[0015]本专利技术的第二个方面提供一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0016]S1：发射线偏振光经过准直透镜组(2)、(4)以及第一空间滤波器(3)调整为平行偏振光，所述平行偏振光经过半波片(5)旋转偏振方向；
[0017]S2：将平行线偏振光由第一全反镜(6)反射进入可变光阑(7)及照明透镜(8)后进入偏振分束镜(9)，透射P偏振光进入功率计(12)显示光强，调整半波片(5)使功率计(12)检测P偏振光强最小；
[0018]S3：经过旋转偏振方向的平行偏振光经过偏振分束镜反射后的S偏振光汇聚于物镜(10)后焦面，经过物镜后产生平行宽场光斑照射样品台(11)表面；
[0019]S4：被检测样品颗粒的散射光与基底表面的反射光一起进入物镜(10)后，经过偏振分束镜(9)进行正交偏振抑制背景反射光；
[0020]S5：经过偏振分束镜(9)后的颗粒散射光与背景光一起经过第二全反镜(13)反射后通过筒镜(14)汇聚于CMOS相机(15)像面上进行干涉成像；
[0021]S6：通过控制和处理模块(16)实时调控样品三维位置，采集和处理图像，得到颗粒干涉散射信号。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]第一，通过引入共路同轴正交偏振技术，可实现对待测样品背景反射光的抑制，提升信号对比度；
[0024]第二，本专利技术装置简单，基于偏振宽场照明和干涉散射信号增强，具有高速、大测试范围、高灵敏度等优势。
附图说明
[0025]图1为实施例1基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置的结构示意图；
[0026]图2为实施例2与实施例3基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置的结构示意图；
[0027]图3为实施例4基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置的结构示意图；
[0028]图4为本专利技术的偏振光源模块的局部结构示意图；
[0029]图5a、b为本专利技术的偏振分束镜的结构示意图和偏振工作调节示意图。其中，图5(a)是偏振分束镜的结构示意图，图5(b)是半波片结合偏振分束镜与光度计调节偏振方向的示意图。
[0030]图6为本专利技术对不同偏振方向的干涉散射显微成像PSF的仿真对比图；
[0031]图7为本专利技术对粒径300nm的SiO2进行S偏振光宽场照明的干涉散射显微成像(a)和传统圆偏振光宽场照明探测P偏振光的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置，其特征在于：包括偏振光源模块、照明光路、物镜(10)、样品台(11)、偏振分束镜(9)、成像模块以及调控和处理模块(16)；其中，偏振光源模块产生平行偏振连续激光，经过照明光路后在样品上产生宽场探测光斑，样品颗粒的散射光与基底反射光经过物镜(10)收集后通过成像模块进行干涉成像；调控和处理模块(16)采集与处理图像，得到颗粒干涉散射信号。2.如权利要求1所述的一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置，其特征在于：所述偏振光源模块包括依次设置的连续激光器(1)、准直透镜组第一透镜(2)、第一空间滤波器(3)、准直透镜组第二透镜(4)和半波片(5)；所述连续激光器(1)发射线偏振光，经过准直透镜组第一透镜(2)、第一空间滤波器(3)、准直透镜组第二透镜(4)后调整为平行偏振光；所述平行偏振光通过半波片(5)旋转偏振方向，旋转方向后的线偏振光入射至照明光路。3.如权利要求2所述的一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置，其特征在于：所述连续激光器(1)为保偏连续激光器，产生偏振连续激光。4.如权利要求2所述的一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置，其特征在于：所述照明光路包括依次设置的第一全反镜(6)、可变光阑(7)、照明透镜(8)；旋转方向后的线偏振光经过第一全反镜(6)反射后进入可变光阑(7)及照明透镜(8)后由偏振分束镜(9)分为两束，其中一束为反射S偏振光，另一束为透射P偏振光；透射P偏振光进入功率计(12)监测光强，通过调整半波片(5)使功率计(12)检测的透射P偏振光强最小；反射S偏振光汇聚于物镜(10)后焦面，经过物镜(10)后产生平行宽场光斑照射样品台(11)表面产生宽场照明光斑；样品台(11)上设有被检测样品颗粒，被检测样品颗粒的散射光与基底表面的反射光一起进入物镜(10)后，经过偏振分束镜(9)进行正交偏振抑制背景反射光后入射成像模块。5.如权利要求4所述的一种基于偏振照明的同轴干涉散射显微成像装置，其特征在于：所述S偏振光照明的干涉光场点扩散函...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘文杰，杨思恒，张祖鑫，王权，王瑾，陈勰宇，周楠，董建杰，匡翠方，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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