CN107505695B - 结构光照明装置及其产生条纹结构光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结构光照明装置及产生条纹结构光的方法。结构光照明装置包括激光器、半波片、聚光透镜、分光镜、反射镜、光程延迟模块及可旋转地设置于光路中道威棱镜和半波片；激光器发出的线偏振光依次顺序经过半波片和聚光透镜后，被分光镜分成反射光束和透射光束；反射光束进入光程延迟模块，透射光束由反射镜反射至光程延迟模块，经过光程延迟模块后形成两束光程相同的照明光束；两束照明光束通过道威棱镜和半波片后，在面P1上产生两个光斑。另提供产生条纹结构光的方法。所述结构光照明装置可有效地解决现有技术中存在的能量利用率低、照明视场小、偏振调制困难等问题。

Description

结构光照明装置及其产生条纹结构光的方法
技术领域
本发明涉及光学显微成像技术领域，尤其涉及一种结构光照明装置及其产生条纹结构光的方法。
背景技术
光学显微成像技术是生物细胞研究中一种非常重要的技术，是研究细胞形态、结构和功能的主要手段。受衍射极限约束，现有光学显微镜的最高分辨率一般在200nm到400nm之间，这一分辨率无法对细胞内部的某些精细结构进行清晰成像。为使光学显微系统实现更高的分辨率，一系列光学超分辨显微技术先后被提了出来。
结构光照明超分辨显微技术具有宽场成像、成像信噪比高、成像速度快等优点，在生物成像观测，尤其是活体细胞成像观测领域有着极大的应用前景。现有结构光照明显微系统使用光栅、液晶空间光调制器(Lcos SLM)和微镜阵列(DMD)三种器件产生条纹结构照明光：首先在光栅、Lcos SLM或者DMD上产生周期条纹结构，然后用一束平行光照射条纹结构并发生衍射，再利用4f成像系统收集衍射光束，并在频谱面用滤光小孔截取±1级衍射光斑，最终在4f系统后焦面处产生条纹结构照明光。
然而，这种结构光生成方法存在以下缺点：1)平行光束通过周期条纹结构时，一部分光能被遮挡，降低了系统能量利用率；2)只截取了±1级光产生干涉条纹，但是±1级光的衍射效率受条纹结构影响、且低于100％，因此有能量损失；3)需要设计4f成像系统和专门的滤光小孔，光路结构复杂；4)为使三个照明方向上的条纹对比度始终为1，结构光照明显微系统要求样品面上的照明光均为s偏振态，而上述结构光生成方案中照明光偏振态并不会随照明方向的改变而改变，因此需要在光路中添加偏振调制器件，进一步增加了系统光路复杂度；5)受Lcos SLM和DMD器件的分辨率和芯片尺寸限制，照明光束的直径一般不可超过15mm，经过4f系统和显微照明系统后在样品面上的照明区域直径大多在60um以下，视场严重受限。综上所述，现有结构光产生方式存在能量利用率低、光学结构复杂、偏振调制困难、照明视场小等缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种结构光照明装置及其产生条纹结构光的方法。
一种结构光照明装置，其包括激光器(1)、半波片(2)、聚光透镜(4)、分光镜(5)、反射镜(6)、光程延迟模块、道威棱镜(9)和半波片(10)，道威棱镜(9)和半波片(10)可旋转地设置于光路中；激光器(1)发出的线偏振光依次顺序经过半波片(2)和聚光透镜(4)后，被分光镜(5)分成反射光束和透射光束；反射光束进入光程延迟模块，透射光束由反射镜(6)反射至光程延迟模块；反射光束和透射光束经过光程延迟模块后形成两束光程相同的照明光束；所述两束照明光束通过道威棱镜(9)和半波片(10)后，在聚光透镜(4)的后焦面P1上产生两个光斑。
本发明一较佳实施方式中，半波片(2)和聚光透镜(4)之间还设有柱面镜(3)，柱面镜(3)可旋转地设置于光路中。
本发明一较佳实施方式中，分光镜(5)为50：50分光镜。
本发明一较佳实施方式中，所述光程延迟模块包括并行设置的第一光程延迟器(7)和第二光程延迟器(8)。
本发明一较佳实施方式中，第一光程延迟器(7)和第二光程延迟器(8)均安装有压电位移平台。
本发明一较佳实施方式中，道威棱镜(9)和半波片(10)同步旋转地设置于光路中。
本发明一较佳实施方式中，道威棱镜(9)和半波片(10)固定在一个中空电机上，由所述中空电机控制旋转。
一种产生条纹结构光的方法，其包括如下步骤：
S101、控制激光器(1)发出线偏振光，半波片(2)对线偏振光的偏振方向进行调制；
S103、分光镜(5)将线偏振光分成反射光束和透射光束，反射光束和透射光束进入光程延迟模块并被光程延迟模块调整为两束光程相同的照明光束；
S105、所述两束照明光束依次顺序通过道威棱镜(9)、半波片(10)及显微物镜(14)后在样品面(15)干涉，产生条纹结构光。
本发明一较佳实施方式中，步骤S103中，线偏振光经过聚光透镜(4)后被分光镜(5)分成反射光束和透射光束。
本发明一较佳实施方式中，聚光透镜(4)之前进一步设置柱面镜(3)，并使柱面镜(3)绕光轴旋转来补偿不同条纹方向时光路中的像散像差。
本发明一较佳实施方式中，半波片(10)和显微物镜(14)之间，沿光路依次顺序设置有透镜(11)、透镜(12)及反射镜(13)，其中，聚光透镜(4)和透镜(11)在面P1处共焦面，透镜(11)与透镜(12)在面P2处共焦面，透镜(12)与显微物镜(14)在面P3处共焦面。
本发明一较佳实施方式中，步骤S103中，还包括通过在所述光程延迟模块中的第一光程延迟器(7)和第二光程延迟器(8)上安装压电位移平台，来精确调制所述两束照明光束到达样品面(15)时的相位。
本发明一较佳实施方式中，道威棱镜(9)和半波片(10)同步旋转地设置于光路中。
相较于现有技术，本发明提供的结构光照明装置其及产生条纹结构光的方法利用道威棱镜实现了条纹结构光照明，并且通过转动道威棱镜与半波片实现了条纹方向与光束偏振方向的同步旋转，条纹结构光在样品面上的平移通过光程延迟器改变光程实现，可有效地解决现有技术中存在的能量利用率低、照明视场小、偏振调制困难等问题。此外，在杂光处理、样品面条纹方向准确性以及条纹平移精度等方面，相比于现有技术，也有着明显的优势。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的结构光照明装置的光路结构示意图；
图2为道威棱镜旋转0°、30°和60°时，P1面上的光斑图；
图3为仿真模型中道威棱镜旋转15°时样品面15上的条纹图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一种结构光照明装置，其包括激光器1、半波片2、聚光透镜4、分光镜5、反射镜6、光程延迟模块、道威棱镜9和半波片10，道威棱镜9和半波片10可旋转地设置于光路中；激光器1发出的线偏振光依次顺序经过半波片2和聚光透镜4后，被分光镜5分成反射光束和透射光束；反射光束进入光程延迟模块，透射光束由反射镜6反射至光程延迟模块；反射光束和透射光束经过光程延迟模块后形成两束光程相同的照明光束；所述两束照明光束通过道威棱镜9和半波片10后，在聚光透镜4的后焦面P1上产生了两个光斑。
所述结构光照明装置利用道威棱镜实现结构光照明，可有效地解决现有技术中存在的能量利用率低、照明视场小、偏振调制困难等问题。
以下，通过具体实施例进行详细说明。
实施例1
请参见图1，图1是本发明第一实施例提供的结构光照明装置，其包括：激光器1、半波片2、聚光透镜4、分光镜5、反射镜6、光程延迟模块、道威棱镜9和半波片10，道威棱镜9和半波片10可旋转地设置于光路中；激光器1发出的线偏振光依次顺序经过半波片2和聚光透镜4后，被分光镜5分成反射光束和透射光束；反射光束进入光程延迟模块，透射光束由反射镜6反射至光程延迟模块；反射光束和透射光束经过光程延迟模块后形成两束光程相同的照明光束；所述两束照明光束通过道威棱镜9和半波片10后，在聚光透镜4的后焦面P1上产生两个光斑。
本实施例中，半波片2将激光器1发出的线偏振光的偏振方向旋转至与纸面垂直。
进一步地，线偏振光经过聚光透镜4后将形成会聚光束，因会聚光束经过道威棱镜9会产生明显的像散，且像散与道威棱镜9的旋转角度有关，因此本实施例在聚光透镜4之前加入柱面镜3，即半波片2和聚光透镜4之间还设有柱面镜3，且柱面镜3可旋转地设置于光路中，由此，旋转柱面镜3可有效地补偿不同条纹方向时光路中的像散像差。
本实施例中，所述光程延迟模块包括并行设置的第一光程延迟器7和第二光程延迟器8。具体地，第一光程延迟器7的入光侧朝向分光镜5的反射光侧，第二光程延迟器8的入光测朝向反射镜6的反射光侧，即，反射光束进入第一光程延迟器7，透射光束由反射镜6反射进入第二光程延迟器8。当然，并不局限于此，可以理解的是，任意方向的光程延迟器都可以生成条纹结构光。
本实施例中，分光镜5为50：50分光镜，当然，并不局限于此，分光镜5也可以根据实际需要进行选择设计，如可以采用一个30:70分光镜和一个50:50分光镜，产生三个平行光束，并利用光程延迟器7和8调整两束照明光束边缘的光程差，从而实现三维结构光照明。
由于道威棱镜9每旋转角度θ，面P1上两个光斑的连线会绕中心轴旋转2θ，样品面15上条纹的方向总是垂直于面P1上两个光斑连线的方向，因此通过旋转道威棱镜9实现样品面15上条纹方向的调整。半波片10每旋转角度θ，两束照明光束的偏振方向也会同向旋转2θ。为此，本实施例中，道威棱镜9和半波片10同步旋转地设置于光路中。具体地，道威棱镜9和半波片10固定在一个中空电机上，由所述中空电机控制旋转，道威棱镜9和半波片10的旋转角度始终相同，样品面15上条纹方向和两束照明光束的偏振方向旋转角度始终一致，由此可以保证条纹调制度始终为1。如图2所示，为道威棱镜旋转0°、30°和60°时，P1面上的光斑图，其中a)为初始位置的光斑图，b)为道威棱镜9绕光轴旋转30°时的光斑图，c)为道威棱镜9绕光轴旋转60°时的光斑图。
可以理解的是，本实施例中，激光器1发出的线偏振光经半波片2调制后偏振方向与纸面垂直；经聚光透镜4会聚后，分光镜5和光程延迟器7、8产生了两束光程相同的照明光束，两束照明光束通过道威棱镜9和半波片10后，在聚光透镜4的后焦面P1上产生了两个光斑。两个光斑连线的方向和两束照明光束的偏振态方向通过旋转道威棱镜9和半波片10来进行控制，两个光斑的相位可以通过光程延迟器7、8来控制，两个光斑之间的距离(或条纹周期)可以通过调节分光镜5与反射镜6的位置来调节；道威棱镜9引入的像散量则由柱面镜3来进行补偿。
本发明第二实施例提供一种产生条纹结构光的方法，其包括如下步骤：
S101、控制激光器1发出线偏振光，半波片2对线偏振光的偏振方向进行调制。
本实施例中，半波片2将激光器1发出的线偏振光的偏振方向旋转至与纸面垂直。
S103、分光镜5将线偏振光分成反射光束和透射光束，反射光束和透射光束进入光程延迟模块并被光程延迟模块调整为两束光程相同的照明光束。
本实施例中，线偏振光经过聚光透镜4会聚后被分光镜5分成反射光束和透射光束。因线偏振光经过聚光透镜4后形成的会聚光束经过道威棱镜9会产生明显的像散，且像散与道威棱镜9的旋转角度有关，因此本实施例中优选地在聚光透镜4之前进一步设置柱面镜3，并使柱面镜3绕光轴旋转来补偿不同条纹方向时光路中的像散像差，即半波片2和聚光透镜4之间还设有柱面镜3，且柱面镜3可旋转地设置于光路中，由此，旋转柱面镜3可有效地补偿不同条纹方向时光路中的像散像差。
本实施例中，反射光束进入光程延迟模块，透射光束由反射镜6反射至光程延迟模块；具体地，反射光束被分光镜5反射至第一光程延迟器7，透射光束由反射镜6反射至第二光程延迟器8；反射光束和透射光束分别从第一光程延迟器7和第二光程延迟器8出来，并形成两束光程相同的照明光束；所述两束照明光束通过道威棱镜9和半波片10后，在聚光透镜4的后焦面P1上产生两个光斑。
进一步地，本实施例通过在第一光程延迟器7和第二光程延迟器8上安装压电位移平台，来精确调制所述两束照明光束到达样品面15时的相位。
本实施例中，分光镜5为50：50分光镜，当然，并不局限于此，分光镜5也可以根据实际需要进行选择设计，如可以采用一个30:70分光镜和一个50:50分光镜，产生三个平行光束，并利用光程延迟器7和8调整两边缘照明光束光程差，从而实现三维结构光照明。
S105、所述两束照明光束依次顺序通过道威棱镜9、半波片10及显微物镜14后在样品面15干涉，产生条纹结构光。
由于道威棱镜9每旋转角度θ，面P1上两个光斑的连线会绕中心轴旋转2θ，样品面15上条纹的方向总是垂直于面P1上两个光斑连线的方向，因此通过旋转道威棱镜9实现样品面15上条纹方向的调整。半波片10每旋转角度θ，两束照明光束的偏振方向也会同向旋转2θ。为此，本实施例中，道威棱镜9和半波片10同步旋转地设置于光路中。具体地，道威棱镜9和半波片10固定在一个中空电机上，由所述中空电机控制旋转，道威棱镜9和半波片10的旋转角度始终相同，样品面15上条纹方向和两束照明光束的偏振方向旋转角度始终一致，由此可以保证条纹调制度始终为1。
进一步地，半波片10和显微物镜14之间，沿光路依次顺序设置有透镜11、透镜12及反射镜13，其中，聚光透镜4和透镜11在面P1处共焦面，透镜11与透镜12在面P2处共焦面，透镜12与显微物镜14在面P3处共焦面。
所述两束照明光束经过道威棱镜9和半波片10后，在面P1上形成两个光斑，所述两束照明光束经过透镜11、透镜12，被反射镜13反射至显微透镜14，经过显微物镜14后在样品面15干涉，产生条纹状结构光.。如图3所示，为仿真模型中道威棱镜旋转15°时样品面15上的条纹图。
本实施例中，优选地，第一光程延迟器7和第二光程延迟器8均安装有压电位移平台，由此，可以精确地调制两束照明光束到达样品面15时的相位，并据此实现样品面15上的条纹平移。
可以理解的是，沿垂直光轴的向移动分光镜5和反射镜6，可以调整两个斑在面P3上的位置，从而控制两束照明光束在样品面15上的条纹周期。
本发明提供的结构光照明装置及产生条纹结构光的方法具有如下优点：
其一、本发明提供的结构光照明装置中激光器1发出的照明光可以全部传递至样品面，光能利用率达到100％。而采用光栅、DMD与Lcos SLM产生条纹结构光时，考虑到周期结构对光束的遮拦、±1级光衍射效率以及小孔光阑对杂光的滤除，照明光的绝大部分能量都损失在传递过程中，能量利用率较低。
其二、光学结构简单，无需专门设计高质量的4f成像系统、无需加工高精度的滤光小孔，光学设计、装调过程更简单。如果聚光透镜4焦距选择合适，可以省略透镜11与12，直接实现结构光照明，从而大大减小光路长度和系统外形尺寸。
其三、半波片10与道威棱镜9同步转动，在条纹方向旋转时，照明光偏振方向同步旋转，样品面照明光始终为s偏振态，保证了样品面上条纹调制度始终为1。
其四、采用DMD与空间光调制器产生结构光时，由于像素图案存在明显的锯齿且存在填充比，因此会产生非常多的杂散光斑，在进行准直、干涉的过程中，需要设计复杂的光阑系统滤除杂光。而采用这一方法，光路中不存在产生杂散光的器件，因此在光路中无需加入消杂光光阑。
其五、DMD与Lcos SLM实现条纹平移时，受限于芯片像元尺寸，平移相位精度较低。本方案通过纳米级压电位移台控制两光束光程延迟量，实现了样品面上高精度的条纹平移。
其六、本发明提供的结构光照明装置中，照明区域的大小受激光光束宽度、聚光透镜4、透镜11和透镜12的焦距共同决定，且样品面照明视场与P3面上两光斑距离解耦，可以独立控制，简化了照明数值孔径与照明视场参数的计算过程和系统装调难度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种结构光照明装置，其特征在于，包括激光器(1)、半波片(2)、聚光透镜(4)、分光镜(5)、反射镜(6)、光程延迟模块、道威棱镜(9)和半波片(10)，道威棱镜(9)和半波片(10)可旋转地设置于光路中；激光器(1)发出的线偏振光依次顺序经过半波片(2)和聚光透镜(4)后，被分光镜(5)分成反射光束和透射光束；反射光束进入光程延迟模块，透射光束由反射镜(6)反射至光程延迟模块；反射光束和透射光束经过光程延迟模块后形成两束光程相同的照明光束；所述两束照明光束通过道威棱镜(9)和半波片(10)后，在聚光透镜(4)的后焦面P1上产生两个光斑；道威棱镜(9)和半波片(10)同步旋转地设置于光路中。
2.如权利要求1所述的结构光照明装置，其特征在于，半波片(2)和聚光透镜(4)之间还设有柱面镜(3)，柱面镜(3)可旋转地设置于光路中。
3.如权利要求1所述的结构光照明装置，其特征在于，分光镜(5)为50：50分光镜。
4.如权利要求1所述的结构光照明装置，其特征在于，所述光程延迟模块包括并行设置的第一光程延迟器(7)和第二光程延迟器(8)。
5.如权利要求1所述的结构光照明装置，其特征在于，第一光程延迟器(7)和第二光程延迟器(8)均安装有压电位移平台。
6.如权利要求1所述的结构光照明装置，其特征在于，道威棱镜(9)和半波片(10)固定在一个中空电机上，由所述中空电机控制旋转。
7.一种采用如权利要求1所述的结构光照明装置产生条纹结构光的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、控制激光器(1)发出线偏振光，半波片(2)对线偏振光的偏振方向进行调制；
S103、分光镜(5)将线偏振光分成反射光束和透射光束，反射光束和透射光束进入光程延迟模块并被光程延迟模块调整为两束光程相同的照明光束；
S105、所述两束照明光束依次顺序通过道威棱镜(9)、半波片(10)及显微物镜(14)后在样品面(15)干涉，产生条纹结构光；道威棱镜(9)和半波片(10)同步旋转地设置于光路中。
8.如权利要求7所述的产生条纹结构光的方法，其特征在于，步骤S103中，线偏振光经过聚光透镜(4)后被分光镜(5)分成反射光束和透射光束。
9.如权利要求8所述的产生条纹结构光的方法，其特征在于，聚光透镜(4)之前进一步设置柱面镜(3)，并使柱面镜(3)绕光轴旋转来补偿不同条纹方向时光路中的像散像差。
10.如权利要求8所述的产生条纹结构光的方法，其特征在于，半波片(10)和显微物镜(14)之间，沿光路依次顺序设置有透镜(11)、透镜(12)及反射镜(13)，其中，聚光透镜(4)和透镜(11)在面P1处共焦面，透镜(11)与透镜(12)在面P2处共焦面，透镜(12)与显微物镜(14)在面P3处共焦面。
11.如权利要求7所述的产生条纹结构光的方法，其特征在于，步骤S103中，还包括通过在所述光程延迟模块中的第一光程延迟器(7)和第二光程延迟器(8)上安装压电位移平台，来精确调制所述两束照明光束到达样品面(15)时的相位。
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