CN107037577A - 一种结构光照明光学系统及方法 - Google Patents

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张运海
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Abstract

本发明提供的结构光照明光学系统和方法，利用平顶高斯光束整形器对激光束进行整形生成平顶高斯光束，利用液晶空间光调制器将一束平顶高斯光束分成两束相干光，通过两束平顶高斯光束干涉得到均匀分布的结构光，实现显微系统中样品的均匀结构光照明，有助于扩大显微系统的视场范围和提供显微系统的成像速度。

Description

一种结构光照明光学系统及方法
技术领域
本发明涉及显微检测仪器设计及制造领域，尤其是涉及一种结构光照明光学系统及方法。
背景技术
结构光成像技术最初是由Neil等人于1997年首次提出的，并将之应用于生物学成像，分辨率可以达到100nm。该技术使用特殊调制的结构光场照明样品，通过运用相移算法从不同相位的调制图像数据中提取聚焦平面的信息，得到结构光照明显微成像的图像数据，与目前已有的几种超分辨光学显微成像方法，如光激活定位法(PALM)、随机光学重构法(STORM)以及受激发射损耗法(STED)等相比，具有成像速度较快，结构简单，适合于活体组织实时观察等优点。
目前结构光已经作为入射光用于显微成像系统中，提高显微系统的成像速度，但是现有的结构光照明均采用高斯光束，其照明区域光强分布不均匀，只有少部分的中央区域能够用于显微照明，降低了结构光光场的利用率。
发明内容
本发明的目的是：
提供一种可实现显微成像系统中均匀照明的结构光照明光学系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种结构光照明光学系统，包括激光器、以及沿所述激光器出射的光束传播方向依次设置的平顶高斯光束整形器、第一透镜、第二透镜、液晶空间光调制器、第三透镜、通孔掩膜板及物镜，其中：
所述激光器出射的任一束激光束经所述平顶高斯光束整形器整形后形成一束能量均匀分布的平顶高斯光束，所述平顶高斯光束再经所述第一透镜及第二透镜后入射到所述液晶空间光调制器，所述平顶高斯光束经所述液晶空间光调制器衍射后生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1级衍射光及0级衍射光；
所述衍射光经所述第三透镜和通孔掩膜板后，所述衍射光中的0级衍射光被遮挡且只允许±1级衍射光通过，所述±1级衍射光经所述物镜后并在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成均匀分布的干涉条纹。
在其中一些实施例中，所述平顶高斯光束整形器的光出射平面、所述液晶空间光调制器的感光面和所述物镜的前焦面属于共轭面。
此外，本发明还提供了一种结构光照明光学方法，包括下述步骤：
采用平顶高斯光束整形器对高斯分布的激光光束进行整形，生成一束能量均匀分布的平顶高斯光束；
所述平顶高斯光束再依次经第一透镜、第二透镜后入射到液晶空间光，所述平顶高斯光束经所述液晶空间光调制器衍射后生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1级衍射光及0级衍射光；
所述衍射光经所述第三透镜和通孔掩膜板后，所述衍射光中的0级衍射光被遮挡且只允许±1级衍射光通过；
所述±1级衍射光经所述物镜后并在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成均匀分布的干涉条纹。
在其中一些实施例中，所述平顶高斯光束整形器的光出射平面、所述液晶空间光调制器的感光面和所述物镜的前焦面属于共轭面。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的结构光照明光学系统和方法，利用平顶高斯光束整形器对激光束进行整形生成平顶高斯光束，利用液晶空间光调制器将一束平顶高斯光束分成两束相干光，通过两束平顶高斯光束干涉得到均匀分布的结构光，实现显微系统中样品的均匀结构光照明，有助于扩大显微系统的视场范围和提供显微系统的成像速度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的结构光照明光学系统结构示意图。
图2为本发明实施例提供的±1级衍射光在物镜入瞳处偏振方向示意图。
图3为本发明实施例提供的结构光照明光学方法的步骤流程图。
其中：激光器110、平顶高斯光束整形器120、第一透镜130、第二透镜140、液晶空间光调制器150、第三透镜160、通孔掩膜板170及物镜180。
具体实施方式
请参考图1，为本发明实施例提供的一种结构光照明光学系统100，包括激光器110、以及沿所述激光器110出射的光束传播方向依次设置的平顶高斯光束整形器120、第一透镜130、第二透镜140、液晶空间光调制器150、第三透镜160、通孔掩膜板170及物镜180。其中：
所述激光器110出射的任一束激光束经所述平顶高斯光束整形器120整形后形成一束能量均匀分布的平顶高斯光束，所述平顶高斯光束再经所述第一透镜130及第二透镜140后入射到所述液晶空间光调制器150，所述平顶高斯光束经所述液晶空间光调制器150衍射后生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1级衍射光及0级衍射光；可以理解，±1级衍射光偏振方向一致。
所述衍射光经所述第三透镜160和通孔掩膜板170后，所述衍射光中的0级衍射光被遮挡且只允许±1级衍射光通过，所述±1级衍射光经所述物镜180后并在所述物镜180的前焦面处(即样本位置处M)发生干涉，形成均匀分布的干涉条纹。
请参阅图2，为本发明上述实施例提供的±1级衍射光在物镜入瞳处偏振方向示意图，可以理解，本发明采用平顶高斯光束整形器120对高斯分布的激光光束进行整形，生成一束能量均匀分布的平顶高斯光束；随后采用液晶空间光调制器对一束平顶高斯光束进行调制，生成两束偏振方向一致的平顶高斯光束(±1级衍射光)；最后两束平顶高斯光束进入物镜，在其前焦面处进行干涉，形成强度分布均匀的结构光。
进一步地，平顶高斯光束整形器120的光出射平面P1、液晶空间光调制器150的感光面P2和物镜180的前焦面P3属于共轭面。
请参阅图3，本发明提供的一种结构光照明光学方法，包括下述步骤：
步骤S110：采用平顶高斯光束整形器对高斯分布的激光光束进行整形，生成一束能量均匀分布的平顶高斯光束；
步骤S120：所述平顶高斯光束再依次经第一透镜、第二透镜后入射到液晶空间光，所述平顶高斯光束经所述液晶空间光调制器衍射后生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1级衍射光及0级衍射光；
步骤S130：所述衍射光经所述第三透镜和通孔掩膜板后，所述衍射光中的0级衍射光被遮挡且只允许±1级衍射光通过；
步骤S140：所述±1级衍射光经所述物镜后并在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成均匀分布的干涉条纹。
本发明提供的结构光照明光学系统100，本发明提供的结构光照明光学系统和方法，利用平顶高斯光束整形器120对激光束进行整形生成平顶高斯光束，利用液晶空间光调制器150将一束平顶高斯光束分成两束相干光，通过两束平顶高斯光束干涉得到均匀分布的结构光，实现显微系统中样品的均匀结构光照明，有助于扩大显微系统的视场范围和提供显微系统的成像速度。
当然本发明的结构光照明光学系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (4)

1.一种结构光照明光学系统，其特征在于，包括激光器、以及沿所述激光器出射的光束传播方向依次设置的平顶高斯光束整形器、第一透镜、第二透镜、液晶空间光调制器、第三透镜、通孔掩膜板及物镜，其中：
所述激光器出射的任一束激光束经所述平顶高斯光束整形器整形后形成一束能量均匀分布的平顶高斯光束，所述平顶高斯光束再经所述第一透镜及第二透镜后入射到所述液晶空间光调制器，所述平顶高斯光束经所述液晶空间光调制器衍射后生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1级衍射光及0级衍射光；
所述衍射光经所述第三透镜和通孔掩膜板后，所述衍射光中的0级衍射光被遮挡且只允许±1级衍射光通过，所述±1级衍射光经所述物镜后并在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成均匀分布的干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的结构光照明光学系统，其特征在于，所述平顶高斯光束整形器的光出射平面、所述液晶空间光调制器的感光面和所述物镜的前焦面属于共轭面。
3.一种结构光照明光学方法，其特征在于，包括下述步骤：
采用平顶高斯光束整形器对高斯分布的激光光束进行整形，生成一束能量均匀分布的平顶高斯光束；
所述平顶高斯光束再依次经第一透镜、第二透镜后入射到液晶空间光，所述平顶高斯光束经所述液晶空间光调制器衍射后生成衍射光，其中，所述衍射光包括±1级衍射光及0级衍射光；
所述衍射光经所述第三透镜和通孔掩膜板后，所述衍射光中的0级衍射光被遮挡且只允许±1级衍射光通过；
所述±1级衍射光经所述物镜后并在所述物镜的前焦面处发生干涉，形成均匀分布的干涉条纹。
4.根据权利要求3所述的结构光照明光学方法，其特征在于，所述平顶高斯光束整形器的光出射平面、所述液晶空间光调制器的感光面和所述物镜的前焦面属于共轭面。
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