CN106291962B - 基于偏振光相位调制的结构光生成装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振光相位调制的结构光生成装置与方法。激光器发出线偏振光的光束入射到半波片上，经过半波片偏振方向旋转角度，再到电光相位调制器中分解成两个偏振分量，被电光相位调制器调制产生相位差，接着经扩束镜扩束后入射到左、右偏振分光镜拼接后形成的端面中间让调制后的光束透过，然后两路光束入射到偏振片上仅透过沿其光轴方向的分量形成一路光束，最终聚焦在聚焦镜的焦点处发生干涉。本发明能应用到荧光显微成像上，能获得更好的荧光信号信噪比和更强的组织内部大深度成像能力。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用技术领域，具体涉及一种基于偏振光相位调制的结构光生成装置与方法。
背景技术
结构光照明是应用在显微成像领域的一种常见的激光照明方法，结构光照明显微法(SIM)是美国Janelia Farm的Mats Gustafsson博士主要研发的，这一技术利用特定的结构光去照射待观测样本。其中结构光的产生是借由照明光路中插入一个空间光调制器(光栅或数字微镜阵列)，使照明光受光栅调制后经物镜投影在待测样品上，在样品的焦平面受到调制光的照射，在离焦平面也不受影响，调制光所产生的荧光信息通过成像系统被CCD接收。在结构光照明显微成像中，不同相位和方向的结构光依次照明样本，这些结构光在和样本不同角度混频所产生的莫尔条纹被CCD依次采集并解码，也就是提取高频分量，最终通过重建形成超高分辨率的SIM图像。
目前的结构光显微成像方法只能对样品表面进行显微成像，不能够对厚生物组织一定深度处进行有效地显微成像。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于偏振光相位调制的结构光生成装置与方法，应用在显微成像领域可有效解决背景技术中存在的问题，大大提高生物组织大深度显微成像的信噪比。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于偏振光相位调制的结构光生成装置：
沿光线的传输轨迹，包括激光器和布置在激光器前方沿发出光束依次布置的半波片、电光相位调制器、扩束镜、沿水平方向并排拼接的两个偏振分光镜(PBS)、偏振片和聚焦镜；激光器发出线偏振光的光束入射到半波片上，经过半波片偏振方向旋转角度，再入射到电光相位调制器(EOM)中被分解成水平方向和竖直方向的两个偏振分量，两个偏振分量被电光相位调制器调制产生相位差，接着包含各自偏振分量的两路光束一起经扩束镜扩束后入射到左偏振分光镜和右偏振分光镜拼接后形成的端面中间让调制后的光束透过，然后两路光束入射到偏振片上仅透过沿其光轴方向的分量形成一路光束，最终聚焦在聚焦镜的焦点处发生干涉。
所述的激光器发出的线偏振光的振动方向为水平方向。
所述的半波片垂直于激光器发出的光束，半波片的光轴与水平方向呈22.5°夹角。
所述的电光相位调制器的光轴沿竖直方向，且垂直于激光器发出的光束。
所述的两个偏振分光镜(PBS)分别为左偏振分光镜和右偏振分光镜，左偏振分光镜和右偏振分光镜紧贴并排，光束入射到左偏振分光镜和右偏振分光镜中间，左偏振分光镜和右偏振分光镜之间的中间线将光束分成两个等大的半圆，左偏振分光镜的分光面与水平面成45°且与光束方向呈45°角，右偏振分光镜的分光面与水平面垂直且与光束方向呈45°角。
所述的偏振片垂直于激光器发出的光束，偏振片的透光轴与水平方向呈45°夹角。
二、一种基于偏振光相位调制的结构光生成方法：
(1)激光器发出线偏振光的光束入射到半波片上，旋转调节半波片使得半波片的光轴与水平方向呈22.5°夹角，光束经半波片后偏振方向旋转为与水平方向呈45°夹角；
(2)接着，光束入射到电光相位调制器(EOM)中，光束在电光相位调制器的晶体中被分解为振幅比1:1的水平方向和竖直方向的两个偏振分量；
(3)用信号发生器给电光相位调制器输入EOM方波信号，使得沿电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ey)被相位调制而垂直于电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ex)不被相位调制，一个偏振分量相对另一个偏振分量产生随时间周期变化的相位延迟；
(4)然后，光束经扩束镜扩束后入射到左偏振分光镜和右偏振分光镜的端面上，光束分别在两个偏振分光镜中传输；
沿电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ey)的光束通过左偏振分光镜，垂直于电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ey)的光束通过右偏振分光镜；
(5)最后，光束入射到偏振片上，光束包含的两束光经过后分别只通过沿偏振片光轴方向的分量，且分量振幅大小相等，通过的两束光的分量经聚焦镜在其焦点发生干涉，生成结构光。
当经电光相位调制器调制后的两束光之间相位差为0时，在焦点处发生相长干涉，在聚焦镜焦点体积区域内的光强为最大光强；当经电光相位调制器调制后的两束光之间相位差为π时，在焦点处发生相消干涉，焦点处光强最小，最大光强在焦点体积两侧。
相位差周期变化，最大光强的位置会在聚焦镜的焦点平面沿水平方向(x轴)来回移动。
本发明的结构光借由电光相位调制器对偏振光进行调制，又由两个按照特殊方位拼接的偏振分光镜进行空间上的分光，经聚焦镜聚焦后在焦点区形成两束光的干涉图样，且干涉图样随时间变化，引起焦点区光强分布的周期性变化，而且焦点体积内的光强包含了直流分量和交流分量(即高频分量)。
本发明的有益效果是解决了厚样品组织一定深度处的结构光有效生成地技术空白，将其应用到荧光显微成像上，能获得更好的荧光信号信噪比和更强的组织内部大深度成像能力。
附图说明
图1是本发明装置的结构图；
图2是本发明对偏振光相位调制并分光的原理图；
图3是两个PBS的拼接方位和激光束照在PBS上的位置；
图4是两个PBS中P光和S光反射和透射情形；
图5是焦点区光强分布，随调制光与未调制光相位差变化而不同。
图中：激光器1，半波片2，电光相位调制器3，扩束镜4，左偏振分光镜5，右偏振分光镜6，偏振片7，聚焦镜8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
本发明系统包括激光器1和布置在激光器1前方沿发出光束依次布置的半波片2、电光相位调制器3、扩束镜4、沿水平方向并排拼接的两个偏振分光镜(PBS)、偏振片7和聚焦镜8。
激光器1发出线偏振光的光束入射到半波片2上，经过半波片2偏振方向旋转角度，再入射到电光相位调制器3(EOM)中被分解成水平方向和竖直方向的两个偏振分量，两个偏振分量被电光相位调制器3调制产生相位差，接着包含各自偏振分量的两路光束一起经扩束镜4扩束后入射到左偏振分光镜5和右偏振分光镜6拼接后形成的端面中间让调制后的光束透过，然后两路光束入射到偏振片7上仅透过沿其光轴方向的分量形成一路光束，最终聚焦在聚焦镜8的焦点处发生干涉。
本发明的实施例及其具体过程如下：
(1)可用632.8nm的氦氖激光器作为光源，激光器发出线偏振光的光束入射到半波片上，出射的线偏振光振动方向为水平方向，旋转调节半波片使得半波片的光轴与水平方向呈22.5°夹角，光束经半波片后偏振方向旋转为与水平方向呈45°夹角，记此时光束为P；
(2)接着，光束P入射到电光相位调制器(EOM)中，电光相位调制器(EOM)的光轴沿竖直方向且垂直于激光器1发出的光束，光束在电光相位调制器的晶体中被分解为振幅比1:1的水平方向和竖直方向的两个偏振分量，两个偏振分量分别为Ex分量和Ey分量，如图2所示；
(3)根据电光相位调制器的原理，用信号发生器给电光相位调制器输入EOM方波信号，EOM具有很快的时间响应和最高10MHz的调制频率。沿电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ey)被相位调制而垂直于电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ex)不被相位调制，一个偏振分量相对另一个偏振分量产生随时间周期变化的相位延迟，从电光相位调制器输出的光束记为M；
(4)然后，光束M经扩束镜4扩束后入射到左偏振分光镜5和右偏振分光镜6的端面上，光束M分别在两个偏振分光镜中传输，左偏振分光镜5的分光面与水平面成45°且与光束方向呈45°角，右偏振分光镜6的分光面与水平面垂直且与光束方向呈45°角。
如图3所示，光束照在两个偏振分光镜上的部分面积相同，各为半圆形状。因此，左偏振分光镜5只允许竖直方向的偏振光分量通过而右偏振分光镜6只允许水平方向偏振光分量通过，从而将调制光和未调制光从空间上分开，沿电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ey)的光束通过左偏振分光镜5，垂直于电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ey)的光束通过右偏振分光镜6，通过的两路光束记为S。
(5)最后，光束S入射到偏振片7上，如图4所示，偏振片7垂直于激光器1发出的光束，偏振片7的透光轴与水平方向呈45°夹角，光束S包含的两束光经过后分别只通过沿偏振片7光轴方向的分量，且分量振幅大小相等，通过的两束光的分量经聚焦镜在其焦点发生干涉，生成结构光，如图5所示。
当经电光相位调制器调制后的两束光之间相位差为0时，在焦点处发生相长干涉，在聚焦镜焦点体积区域内的光强为最大光强；
当经电光相位调制器调制后的两束光之间相位差为π时，在焦点处发生相消干涉，焦点处光强最小，最大光强在焦点体积两侧。
本发明焦点调制的原理如下：
未调制光和调制光在焦点处的点扩散函数分别记为h1和h2eiδωt，δωt为两束光的相位差，在焦点区的光强I为：
I＝|h1+h2eiδωt|2
＝(h1+h2eiδωt)(h1+h2eiδωt)*
＝(h1+h2eiδωt)[h1 *+(h2eiδωt)*]
＝h1h1 *+h1(h2eiδωt)*+h1 *h2eiδωt+h2eiδωt(h2eiδωt)*
＝|h1|2+|h2|2+2Re(h1 *h2eiδωt)
＝|h1|2+|h2|2+2Re(h1 *h2)Re(eiδωt)-2Im(h1 *h2)Im(eiδωt)
＝|h1|2+|h2|2+2Re(h1 *h2)cos(δωt)-2Im(h1 *h2)sin(δωt)
其中，*代表共轭，Re是复数实部，Im是复数虚部。
由公式可得出，焦点区的光强度包含直流分量和交流分量，根据这一特性，可以将本发明结构光生成方法可应用到荧光显微镜上，由本发明这种结构光激发出的样品荧光同样具有直流和交流两种分量，当以调制频率解调出交流荧光信号时，可有效抑制背景噪声，从而提高对组织内部成像时获取荧光信号的能力，对生物组织大深度荧光显微成像领域具有很好的应用前景。
Claims (4)
1.一种基于偏振光相位调制的结构光生成装置，其特征在于：沿光线的传输轨迹，包括激光器(1)和布置在激光器(1)前方沿发出光束依次布置的半波片(2)、电光相位调制器(3)、扩束镜(4)、沿水平方向并排拼接的两个偏振分光镜(PBS)(5、6)、偏振片(7)和聚焦镜(8)；激光器(1)发出线偏振光的光束入射到半波片(2)上，经过半波片(2)偏振方向旋转角度，再入射到电光相位调制器(3)(EOM)中被分解成水平方向和竖直方向的两个偏振分量，两个偏振分量被电光相位调制器(3)调制产生相位差，接着包含各自偏振分量的两路光束一起经扩束镜(4)扩束后入射到左偏振分光镜(5)和右偏振分光镜(6)拼接后形成的端面中间让调制后的光束透过，然后两路光束入射到偏振片(7)上仅透过沿其光轴方向的分量形成一路光束，最终聚焦在聚焦镜(8)的焦点处发生干涉；
所述的激光器(1)发出的线偏振光的振动方向为水平方向；
所述的半波片(2)垂直于激光器(1)发出的光束，半波片(2)的光轴与水平方向呈22.5°夹角；
所述的电光相位调制器(3)的光轴沿竖直方向，且垂直于激光器(1)发出的光束；
所述的两个偏振分光镜(PBS)(5、6)分别为左偏振分光镜(5)和右偏振分光镜(6)，左偏振分光镜(5)和右偏振分光镜(6)紧贴并排，光束入射到左偏振分光镜(5)和右偏振分光镜(6)中间，左偏振分光镜(5)的分光面与水平面成45°且与光束方向呈45°角，右偏振分光镜(6)的分光面与水平面垂直且与光束方向呈45°角；
所述的偏振片(7)垂直于激光器(1)发出的光束，偏振片(7)的透光轴与水平方向呈45°夹角。
2.一种基于偏振光相位调制的结构光生成方法，其特征在于采用权利要求1所述装置，具体生成如下：
(1)激光器发出线偏振光的光束入射到半波片上，旋转调节半波片使得半波片的光轴与水平方向呈22.5°夹角，光束经半波片后偏振方向旋转为与水平方向呈45°夹角；
(2)接着，光束入射到电光相位调制器(EOM)中，光束在电光相位调制器的晶体中被分解为振幅比1:1的水平方向和竖直方向的两个偏振分量；
(3)用信号发生器给电光相位调制器输入EOM方波信号，使得沿电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ey)被相位调制而垂直于电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ex)不被相位调制，一个偏振分量相对另一个偏振分量产生随时间周期变化的相位延迟；
(4)然后，光束经扩束镜(4)扩束后入射到左偏振分光镜(5)和右偏振分光镜(6)的端面上，光束分别在两个偏振分光镜中传输；
沿电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ey)的光束通过左偏振分光镜(5)，垂直于电光相位调制器光轴方向的偏振分量(Ey)的光束通过右偏振分光镜(6)；
(5)最后，光束入射到偏振片(7)上，光束包含的两束光经过后分别只通过沿偏振片(7)光轴方向的分量，且分量振幅大小相等，通过的两束光的分量经聚焦镜在其焦点发生干涉，生成结构光。
3.根据权利要求2所述的一种基于偏振光相位调制的结构光生成方法，其特征在于：当经电光相位调制器调制后的两束光之间相位差为0时，在焦点处发生相长干涉，在聚焦镜焦点体积区域内的光强为最大光强；
当经电光相位调制器调制后的两束光之间相位差为π时，在焦点处发生相消干涉，焦点处光强最小，最大光强在焦点体积两侧。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于偏振光相位调制的结构光生成方法，其特征在于：相位差周期变化，最大光强的位置会在聚焦镜的焦点平面沿水平方向(x轴)来回移动。
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