CN105589186A - 显微傅里叶成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了显微傅里叶成像光学系统，包括共聚焦显微镜，外光路和成像CCD，还包括傅里叶成像模块，所述傅里叶成像模块置于信号光收集光路。该傅里叶成像模块高度集成化，并可以和主流的显微镜系统兼容，使用起来简单方便，可精确调控，解决了自搭傅里叶系统难以快速精确调控的问题。此外，通过合适的分束镜和滤光片选用，实现样品荧光、拉曼、光学二倍频等光学过程的实空间和傅里叶面的成像，扩展了系统的功能。整套系统高度集成化，精确可控，方便易用。

Description

显微傅里叶成像光学系统

技术领域

本发明属于显微成像领域，具体涉及显微傅里叶成像光学系统。

背景技术

微纳体系因其独特的尺度效应以及对光的局域作用，可以产生一些新奇的光学现象。而对微纳体系发光过程的观察和调控更是下一代光路由器、光调制器、光互联等应用需要解决的核心问题。然而传统的共聚焦显微成像系统只能获得实空间的图像。使我们在研究微纳体系发光问题时，受到很大的局限。

近年来利用傅里叶成像技术，不仅可以得到实空间图像而且可以得到傅里叶面图像，为相关研究工作提供很大的帮助。比如在对表面等离激元泄漏辐射（一种当表面等离激元沿波导传播时，在金属波导和界面处，由于表面等离激元波矢小于光在衬底中的波矢，表面等离激元会向衬底中泄漏的现象）的研究过程中发现，通过对两种图像的分析处理，可以得到表面等离激元模式的强度分布，传播长度，以及有效折射率等相关信息。又如对量子点和纳米天线耦合体系荧光发光过程研究中，可以通过傅里叶成像所提供的K空间的图像，得到荧光发射的方向和角度。

除此之外，在对其他一些发光过程，比如拉曼以及光学二倍频的研究中。也可以通过这种显微傅里叶成像技术，得到后焦面的强度分布，从而可以得到光发射的方向和角度分布等重要信息。并且这种技术简单高效，因而具有很高的价值。

目前，相关的科学研究对带有傅里叶成像功能的显微镜有着很大的需求。然而由于显微傅里叶成像系统是建立在共聚焦显微镜的基础上，所以获得高质量的成像质量需要一定的光学搭建技巧。迄今为止，全世界范围内相关领域发表的高水平的研究工作都是在其实验室自行搭建的仪器上获得，几乎没有成型的商业化产品在高水平的研究中发挥作用。

然而已有的自搭傅里叶光路存在着诸多问题。实验室自搭系统其成像质量依赖于搭建光路者的水平，并且即使搭建者有熟练的光路搭建技巧也需要花费相当长的时间去调节光轴的准直性，透镜，光阑的位置等细节问题。自搭系统可兼容性差，往往是根据具体实验所设计，因而是以某一显微镜成像系统为基础，也只能适用于这套固定匹配的显微镜系统，因而不能方便的移植到其他系统上。自搭系统的功能也相对单一，为了实现某一目标而设置，而不能在对微纳结构发光研究中同时实现荧光，拉曼，光学二倍频等便捷转换。除此之外，自搭系统的稳定性，遮光性等问题都会在实际使用中带来很多不便。鉴于上述种种缺陷，我们亟需一种稳定高效，便捷好用，功能丰富的显微傅里叶成像系统来支持我们对微纳结构发光过程的研究。

发明内容

本发明解决的技术问题是：傅里叶成像与主流显微镜系统兼容性，自搭傅里叶系统难以快速精确调控以及样品荧光、拉曼、光学二倍频等光学过程的实空间和傅里叶面的成像的问题。

本发明采用的技术方案是：显微傅里叶成像光学系统，包括共聚焦显微镜，外光路和成像CCD，还包括傅里叶成像模块，所述傅里叶成像模块置于信号光收集光路。

优选的，所述傅里叶成像模块包含透镜组，滤光片和选区光阑，所述透镜组包括前、后两个透镜或多个透镜，中间设置一个可拆卸的透镜，其安放次序为：沿所述信号光收集方向依次设置一个或多个透镜、选区光阑、一个可拆卸的透镜、一个或多个透镜，所述滤光片根据不同组合安放在所述傅里叶成像模块中相应的位置。

优选的，包括所述共聚焦显微镜物镜正置和倒置的工作模式。

优选的，所述共聚焦显微镜物镜正置工作模式的外光路包括，检偏器，半波片和分束镜。

优选的，所述傅里叶成像模块一端通过转接件与所述共聚焦显微镜出光口连接，另一端通过C-mount转接件与所述成像CCD连接。

优选的，所述滤光片有两片。

优选的，所述滤光片和所述分束镜进行组合，用于测量样品的荧光、拉曼或光学二倍频的实空间和傅里叶面的图像。

优选的，所述傅里叶成像模块中还设有三个间距调节圆环。

优选的，所述傅里叶成像模块为密封的模块。

进一步优选的，所述傅里叶成像模块内所涉及光学元件均安装在快速切换插条中，实现光学元件的快速切换。

本发明实现方式：入射的激光束通过高数值孔径油镜进行汇聚，激发光汇聚照射在样品上，产生的信号光通过同一个物镜收集；根据实际使用不同，采取物镜正置和倒置两种不同的工作模式。

将傅里叶成像模块置于信号光收集光路，一端与共聚焦显微镜出光口连接，另一端与成像CCD连接，兼容不同的共聚焦显微镜和成像CCD。

傅里叶成像模块中的光学元件用插拔的方式可以快速的拆卸，可根据不同需求选择使用；利用傅里叶成像模块可使光学元件共轴，并在傅里叶成像模块中设置间距调节圆环，方便的调节光学元件之间的间距。此外，密封的傅里叶成像模块降低了背景噪声，能够提高信号光收集的效率。

在傅里叶成像模块中加入选区光阑，可以有效精确的选择待测样品的成像区域，在常规的傅里叶成像光学系统中额外增加一个可拆卸的透镜，便于实时监控成像区域的范围，提高系统的精确性。

傅里叶成像模块中，切换不同的光学元件，可以得到不同的成像模式，只使用后透镜，可以成实空间图像，同时使用前透镜和后透镜，得到的傅里叶面的图像。同时使用前透镜，中间的可拆卸透镜和后透镜得到的是放大的实空间的图像。

选择合适的分束镜和滤光片的组合，傅里叶成像模块还可以测量样品的荧光、拉曼或光学二倍频的实空间和傅里叶面的图像。

本发明的有益效果是：不仅仅在共聚焦显微系统中加入了模块化的傅里叶成像功能，可以同时观测实空间和傅里叶面的成像，而且集成了荧光，拉曼以及光学二次谐波成像功能，可以得到样品的二倍频等实空间和傅里叶图像；傅里叶成像模块可以和主流的显微镜系统兼容，使用简单方便，可精确调控，解决了自搭傅里叶系统难以快速精确调控的问题；通过合适的分束镜和滤光片选用，实现样品荧光、拉曼、光学二倍频等光学过程的实空间和傅里叶面的成像，扩展了系统的功能；整套系统高度集成化，功能丰富，精确可控，方便易用，可以在工业生产，科学研究上得到广泛的应用。

附图说明

图1为正置式显微傅里叶成像光路图；

其中，1-激光器，2-检偏器，3-半波片，4-分束镜（或二向色镜），5-高NA物镜（油镜），6-样品台，7-反射镜，8-滤光片，9-透镜，10-选区光阑，11-透镜，12-透镜，13-CCD照相机；

图2为傅里叶成像模块示意图；

其中，1-与显微镜出光口连接转件，2、3-装有滤光片的可插拔模块，4-装有透镜的可插拔模块，5-间距调节圆环，6-装有选区光阑的可插拔模块，7-间距调节圆环，8-装有透镜的可插拔模块，9-间距调节圆环，10-装有透镜的可插拔模块，11-与CCD相连的C-mount转件；

图3为傅里叶成像模块俯视图；

图4为使用傅里叶成像模块实验结果示意图；

（a）为周期为1500 nm的标准光栅样品的的常规光学图像，内置图为激光照明时的图像；

（b）为此样品的角分辨成像图，内置图为沿虚线所示的强度分布；

图5为使用傅里叶成像模块进行SHG实空间和傅里叶成像实验结果示意图。

具体实施方式

通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本发明的特点和优点。所提供的实施例仅是对本发明方法的说明，而不以任何方式限制本发明揭示的其余内容。

如图1、2所示，本实施例采用如下技术方案：显微傅里叶成像光学系统，包括共聚焦显微镜，外光路和成像CCD，还包括傅里叶成像模块，所述傅里叶成像模块置于信号光收集光路。

所述傅里叶成像模块包含透镜组，滤光片和选区光阑，所述透镜组包括前、后两个透镜或多个透镜，中间设置一个可拆卸的透镜，其安放次序为：沿所述信号光收集方向依次设置一个或多个透镜、选区光阑、一个可拆卸的透镜、一个或多个透镜，所述滤光片根据不同组合安放在所述傅里叶成像模块中相应的位置。

包括所述共聚焦显微镜物镜正置和倒置的工作模式。

所述共聚焦显微镜物镜正置工作模式的外光路包括，检偏器，半波片和分束镜。

所述傅里叶成像模块一端通过转接件与所述共聚焦显微镜出光口连接，另一端通过C-mount转接件与所述成像CCD连接。

所述滤光片有两片。

所述滤光片和所述分束镜进行组合，用于测量样品的荧光、拉曼或光学二倍频的实空间和傅里叶面的图像。

所述傅里叶成像模块中还设有三个间距调节圆环。

所述傅里叶成像模块为密封的模块。

所述傅里叶成像模块内所涉及光学元件均安装在快速切换插条中，实现光学元件的快速切换。

实施例1

显微傅里叶成像光学系统特点是：入射的激光束通过高数值孔径油镜进行汇聚，激发光汇聚照射在样品上，产生的信号光通过同一个物镜收集。并且将傅里叶成像部分模块化，操作简单方便，可以根据实际使用不同，采取物镜正置和倒置两种不同的工作模式。

实施例1采用正置式显微傅里叶成像光学系统，如图1所示，图中1是激光器，2是检偏器，3是半波片，4是分束镜（或二向色镜），5是高NA物镜（油镜），6是样品台，7是反射镜，8是滤光片，9是透镜，10是选区光阑，11是透镜，12是透镜，13是CCD照相机。

如图2所示，为傅里叶成像模块结构示意图，1是与显微镜出光口连接转件，2、3是装有滤光片的可插拔模块，4是装有透镜的可插拔模块，5是间距调节圆环，6是装有选区光阑的可插拔模块，7是间距调节圆环，8是装有透镜的可插拔模块，9是间距调节圆环，10是装有透镜的可插拔模块，11是与CCD相连的C-mount转件。

傅里叶成像模块设有：

三个透镜或透镜组，如图1所示，9、11、12，一前一后两个透镜或透镜组用于组成一个4f系统，实现后焦面成像，中间一个透镜用于对成像区域实时监控；

一个选区光阑如图1所示10，精确选择待成像区域；

两个滤波片如图1所示8，图2所示2、3，用于收集光路上滤除反射的激发光和样品，周围的散射光等噪音；

六个快速切换插条如图2所示，可以装载光学元件，并快速切换；

三个间距调节圆环如图2所示5、7、9，用来调节光学元件间距，提高成像质量；

一个与显微镜出光口连接转接件如图2所示1；

一个与CCD照相机连接的C-mount转接件如图2所示11。

傅里叶成像模块中光学元件的安放次序为：如图1所示，沿信号光收集方向依次是透镜9，选区光阑10，透镜11，透镜12，滤光片的位置可根据需要安放。

如图1所示，傅里叶成像模块高度集成化，具有傅里叶成像功能，模块置于信号光收集光路，一端与显微镜出光口连接，另一端与成像CCD连接，可很好的兼容不同的共聚焦显微镜和成像CCD。模块内一前一后两个透镜9和12用来构建4f的傅里叶成像系统，中间一个透镜11通过切换，实时监控成像区域，提高系统的精确性；设有选区光阑10用于精确调控成像区域；设有两个滤光片图2所示2、3，用于排除杂散光，滤光片的位置可根据需要安放；利用模块可使光学元件共轴。在模块中还设有间距调节圆环图2所示5、7、9，用于调节光学元件间距，提高成像质量。此外，密封的模块降低了背景噪声，从而有效提高信号光收集的效率。

傅里叶成像模块内所有光学元件均可利用快速切换插条进行切换，切换不同的元件，可以得到不同的成像模式。如图1所示，只使用透镜12，可以成实空间图像；同时使用透镜9和12，得到的傅里叶面的图像；同时使用透镜9,11和12得到的是放大的实空间的图像；因此可以根据实际使用的不同需求选择使用。

该傅里叶成像模块主要应用于微纳结构的发光问题，包括对荧光、拉曼以及光学二倍频等发光现象进行实空间成像以及可精确选区后焦面傅里叶成像。如图1所示的正置式显微傅里叶成像光学系统，外光路包括检偏器2，半波片3，和根据实际使用选择的分束镜4；傅里叶成像模块包括了透镜组9、11、12，滤光片8，选区光阑10等配置，在收集光路使用傅里叶成像模块，用于对信号光进行实空间和傅里叶面成像，同时可得到信号光的实空间和k空间信息。该模块可以和目前市场上主流的显微镜系统兼容。

实施例2

实施例采用样品为 标准CD盘，其微观结构为周期为1.5 μm 的光栅。

如图1所示，在外置光路中，激发波长选用 633 nm 连续激光，使用 50 ×，数值孔径NA=0.6 的物镜，在空气中激发样品并在空气中使用100×，数值孔径NA=0.7的物镜收集，分束片使用 5：5分光平片。信号光进入傅里叶成像模块后，不使用任何光学元件，可见实空间激光成像。使用如图1所示透镜9,12，可以得到样品的傅里叶成像。根据光栅衍射规律可收集到零级和1级衍射光斑，实验结果如图4（a）所示，并根据零级衍射光斑半峰宽为3 pixel 可得角分辨率为∆θ ～ 1.7° ，实验结果如果图4（b）所示。

实施例3

实施例样品为以化学合成的金属纳米线为基础的杂化结构。

如图1所示，在外置光路中，激发波长选用 800 nm 飞秒脉冲激光，物镜使用 100 ×油镜，数值孔径NA=1.35，在空气中激发样品的光学二倍频在油中收集。分束片使用短波通的二向色镜。信号光进入傅里叶成像模块后，只使用400/nm 带通滤光片，可见实空间二倍频成像。使用滤光片及如图1所示透镜9,12，可以得到样品的傅里叶成像。并可使用光阑精确的调控收集区域为1.78 μm 宽，2.10 μm 长，可通过加上透镜11实现对收集区域的监控，由此同时实现了实空间的二倍频成像和二倍频的傅里叶面成像。实验结果如图5所示，图5（a）为样品SHG成像；图5（b）为样品SHG的傅里叶成像，图5（a）中虚线框区域。

上述具体实施例表明本发明显微傅里叶成像光学系统在共聚焦显微成像系统的基础上，增加了一个包含透镜组，滤光片，选区光阑的傅里叶模块，以此实现样品在后焦面的成像，从而得到样品的发射角度分布等信息。该模块高度集成化，并可以和主流的显微镜系统兼容。使用起来简单方便，可精确调控，解决了自搭傅里叶系统难以快速精确调控的问题。此外，通过合适的分束镜和滤光片选用，实现样品荧光、拉曼、光学二倍频等光学过程的实空间和傅里叶面的成像，扩展了系统的功能。整套系统高度集成化，精确可控，方便易用。本发明不仅仅在共聚焦显微系统中加入了模块化的傅里叶成像功能，可以同时观测实空间和傅里叶面的成像，而且集成了荧光，拉曼以及光学二次谐波成像功能，可以得到样品的二倍频等实空间和傅里叶图像，它功能丰富，简单易用，可以在工业生产，科学研究上得到广泛的应用。

Claims (10)

1.显微傅里叶成像光学系统，包括共聚焦显微镜，外光路和成像CCD，其特征在于：还包括傅里叶成像模块，所述傅里叶成像模块置于信号光收集光路。

2.如权利要求1所述的显微傅里叶成像光学系统，其特征在于：所述傅里叶成像模块包含透镜组，滤光片和选区光阑，所述透镜组包括前、后两个透镜或多个透镜，中间设置一个可拆卸的透镜，其安放次序为：沿所述信号光收集方向依次设置一个或多个透镜、选区光阑、一个可拆卸的透镜、一个或多个透镜，所述滤光片根据不同组合安放在所述傅里叶成像模块中相应的位置。

3.如权利要求1所述的显微傅里叶成像光学系统，其特征在于：包括所述共聚焦显微镜物镜正置和倒置的工作模式。

4.如权利要求3所述的显微傅里叶成像光学系统，其特征在于：所述共聚焦显微镜物镜正置工作模式的外光路包括，检偏器，半波片和分束镜。

5.如权利要求1所述的显微傅里叶成像光学系统，其特征在于：所述傅里叶成像模块一端通过转接件与所述共聚焦显微镜出光口连接，另一端通过C-mount转接件与所述成像CCD连接。

6.如权利要求2所述的显微傅里叶成像光学系统，其特征在于：所述滤光片有两片。

7.如权利要求2所述的显微傅里叶成像光学系统，其特征在于：所述滤光片和所述分束镜进行组合，用于测量样品的荧光、拉曼或光学二倍频的实空间和傅里叶面的图像。

8.如权利要求2所述的显微傅里叶成像光学系统，其特征在于：所述傅里叶成像模块中还设有三个间距调节圆环。

9.如权利要求1所述的显微傅里叶成像光学系统，其特征在于：所述傅里叶成像模块为密封的模块。

10.如权利要求1所述的显微傅里叶成像光学系统，其特征在于：所述傅里叶成像模块内所涉及光学元件均安装在快速切换插条中，实现光学元件的快速切换。