CN107966757A - 一种分段半波片及结构光照明显微系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的分段半波片，包括：圆形基片及粘贴于所述圆形基片上的若干个扇形半波片，若干个所述扇形半波片沿斜边无缝拼接，形成圆环状的接收面，用以接收入射的激光光束，当入射的激光光束通过该分段半波片后，其偏振方向发生旋转，通过改变该分段半波片快轴方向与线偏振光偏振方向之间的夹角，可以实现对线偏振光偏振方向的任意角度调制，本发明提供的分段半波片结构简单、安装简便、稳定性好，环境适应性好。另外，本发明还提供了包括上述分段半波片的结构光照明显微系统。

Description

一种分段半波片及结构光照明显微系统

技术领域

本发明涉及显微检测仪器设计及制造领域，尤其是涉及一种分段半波片及结构光照明显微系统。

背景技术

结构光照明超分辨显微技术是一种高效的超分辨成像的实现方法，具有宽场成像、成像信噪比高、成像速度快、可实现3D超分辨成像等优点，在生物成像观测，尤其是活体细胞成像观测领域有着极好的应用前景。

现有结构光照明显微系统使用衍射分光器件分光，并使各衍射光束在样品面上发生干涉，从而在样品内产生条纹结构光，并通过改变衍射分光器件的图案实现照明结构光的方向旋转和相位平移。当衍射结构的方向旋转时，衍射光束的偏振方向依然保持原来的方向不变，当衍射光束在样品面上发生干涉时，各光束偏振方向之间的夹角将导致调制度的明显降低。在使用大数值孔径照明时，此夹角较大，调制度下降的更加明显。

为解决这一问题，需要对衍射光束的偏振方向进行调制。现有的偏振调制方式主要有：1)液晶可调节相位延迟片——通过精确调节液晶可调节相位延迟片与1/4波片的快轴方向，可以通过改变液晶可调节延迟片的相位延迟量实现偏振方向的调节；2)可旋转半波片——在衍射光束聚焦位置安装一个可旋转的半波片，通过控制半波片的旋转角度，实现衍射光束偏振方向的调节；3)反射转向系统——此系统使用三路复杂、固定的反射光学系统实现了条纹方向的旋转，在反射转向过程中光束的偏振方向始终与干涉条纹方向平行。

上述偏振方向调节方式都能够实现较好的偏振调制效果，但是缺点也非常明显：1)液晶可调节相位延迟片——液晶器件的温度稳定性差，温度每变化1℃，液晶波片的相位延迟量就会变化1％，室温发生明显变化时样品面上条纹的调制度会有明显漂移；液晶材料对405nm等短波光源的损伤的阈值较低，长时间辐照会造成液晶材料变性，导致液晶相位延迟片的性能损失，因此不适用于某些短波激发的荧光物质；稳定性比较高的液晶调制器响应速度较慢，一般会有10ms-20ms的响应时间，在进行高速活体成像时，此响应时间会严重拖慢成像速度；根据长期观测数据，液晶相位延迟片的电光特性曲线会有随机漂移，需要经常标定此特性曲线，以便准确控制相位延迟量和光束偏振态。2)可旋转半波片——需要将半波片固定于一个中空电机中，并通过中空电机控制半波片快轴方向。此方法机械结构复杂，偏振方向调制速度也受限于中空电机的加速时间，难以实现高速成像。3)反射转向系统——GE公司使用多组反射镜实现条纹方向和偏振方向的旋转，这一系统使用振镜实现反射镜组的选择，使用反射镜组产生三个方向的照明条纹，这一结构在改变条纹方向的同时改变了干涉光束的偏振态，使干涉条纹的调制度始终保持在最佳状态。但是由于使用了较多的振镜和反射镜，此系统的装配难度极高，且环境稳定性较差，购置成本与使用成本均较高。此外，由于采用固定式反射光路，反射转向系统难以实现条纹方向的调节与扩展。

发明内容

本发明的目的是：

提供一种偏振效果好的分段半波片。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一方面，本发明提供了一种分段半波片，包括：圆形基片及粘贴于所述圆形基片上的若干个扇形半波片，若干个所述扇形半波片沿斜边无缝拼接，形成圆环状的接收面，用以接收入射的激光光束。

在一些较佳的实施例中，所述扇形半波片的数量为大于或者等于四的偶数，且每个所述扇形半波片的角度相等。

在一些较佳的实施例中，相对的所述扇形半波片的快轴方向平行。

另一方面，本发明还提供了一种结构光照明显微系统，包括：光源模块、准直扩束模块、衍射调制模块、滤光与偏振调制模块及显微成像模块，所述光源模块包括激光器以及沿所述激光器出射的激光光束传播方向依次设置的声光可调谐滤波器、第一半波片；所述准直扩束模块用于对入射的激光光束进行准直扩束；所述衍射调制模块包括第二半波片、滤光片、偏振分光镜、第三半波片及衍射器件；所述滤光与偏振调制模块包括傅里叶透镜、分段半波片、滤光小孔及第一透镜；所述显微成像模块包括第二透镜、合色镜、物镜、筒镜及成像镜头；其中：

所述激光器出射的激光光束经所述声光可调谐滤波器、所述第一半波片后耦合进入单模保偏光纤；

经所述单模保偏光纤的激光光束入射进入所述准直扩束模块，再经所述准直扩束模块准直扩束后依次进入所述第二半波片、滤光片、偏振分光镜、第三半波片及衍射器件，所述衍射器件对入射的激光光束进行分光处理形成线偏振光；

所述线偏振光依次经所述第三半波片、所述偏振分光镜及所述傅里叶透镜后入射进入所述分段半波片，所述分段半波片对入射的线偏振光的方向进行调制，并聚集于所述滤光小孔处，所述滤光小孔仅允许±1级光束透过，经所述分段半波片调制后的偏振方向与所述滤光小孔连线垂直；

透过所述滤光小孔的光束再依次经所述第一透镜、所述第二透镜、所述合色镜及所述物镜后聚焦于样品处，并在样品处形成干涉条纹，所述干涉条纹激发样品产生荧光；

所述荧光依次经所述物镜、所述合色镜及所述筒镜后在所述成像镜头处成像。

在一些较佳的实施例中，所述分段半波片包括：圆形基片及粘贴于所述圆形基片上的若干个扇形半波片，若干个所述扇形半波片沿斜边无缝拼接，形成圆环状的接收面，用以接收入射的激光光束。

在一些较佳的实施例中，所述扇形半波片的数量为六个，且每个所述扇形半波片的角度均为60℃。

在一些较佳的实施例中，相对的所述扇形半波片的快轴方向平行。

在一些较佳的实施例中，所述衍射器件为液晶空间光调制器LC-SLM、DMD和光栅中的任意一种。

在一些较佳的实施例中，所述滤光小孔包括两种小孔结构，两种小孔结构安装在电动转轮上，并可根据实际工作模式切换。

在一些较佳的实施例中，所述滤光小孔中的每一个方向上的小孔对应所述分段半波片中的一个扇形。

本发明采用上述技术方案的优点是：

一方面，本发明提供的分段半波片，包括：圆形基片及粘贴于所述圆形基片上的若干个扇形半波片，若干个所述扇形半波片沿斜边无缝拼接，形成圆环状的接收面，用以接收入射的激光光束，当入射的激光光束通过该分段半波片后，其偏振方向发生旋转，通过改变该分段半波片快轴方向与线偏振光偏振方向之间的夹角，可以实现对线偏振光偏振方向的任意角度调制，本发明提供的分段半波片结构简单、安装简便、稳定性好，环境适应性好。

另一方面，本发明提供的结构光照明显微系统，所述激光器出射的激光光束经所述声光可调谐滤波器、所述第一半波片后耦合进入单模保偏光纤；经所述单模保偏光纤的激光光束入射进入所述准直扩束模块，再经所述准直扩束模块准直扩束后依次进入所述第二半波片、滤光片、偏振分光镜、第三半波片及衍射器件，所述衍射器件对入射的激光光束进行分光处理形成线偏振光；所述线偏振光依次经所述第三半波片、所述偏振分光镜及所述傅里叶透镜后入射进入所述分段半波片，所述分段半波片对入射的线偏振光的方向进行调制，并聚集于所述滤光小孔处，所述滤光小孔仅允许±1级光束透过，经所述分段半波片调制后的偏振方向与所述滤光小孔连线垂直；透过所述滤光小孔的光束再依次经所述第一透镜、所述第二透镜、所述合色镜及所述物镜后聚焦于样品处，并在样品处形成干涉条纹，所述干涉条纹激发样品产生荧光；所述荧光依次经所述物镜、所述合色镜及所述筒镜后在所述成像镜头处成像，形成并使用这些图像重构出样品的超分辨信息，本发明提供的结构光照明显微系统，其中，分段半波片的加工和安装精度要求低，光学加工与装配方法简单，可实现非常优良的偏振调制效果；且偏振调制过程即时完成，无需电控调节，没有时间延迟，在高速成像应用中有极大优势；实现成本低，后期扩展与维护更加简便。

附图说明

图1为本发明实施例提供的分段半波片结构示意图。

图2为本发明实施例提供的分段半波片的角度关系图。

图3为本发明实施例提供的结构光照明显微系统的结构示意图。

图4(a)为本发明实施例提供的入射分段半波片之前各衍射光束的方向。

图4(b)为本发明实施例提供的分段半波中每个半波片的快轴方向。

图4(c)为本发明实施例提供的通过分段半波片后各衍射光束偏振方向。

图5(a)为本发明实施例提供的滤光小孔的结构示意图。

图5(b)为本发明实施例提供的滤光小孔的结构示意图。

其中：圆形基片110、扇形半波片120、光源模块210、准直扩束模块220、衍射调制模块230、滤光与偏振调制模块240、显微成像模块250、激光器211、声光可调谐滤波器212、第一半波片213、第二半波片231、滤光片232、偏振分光镜233、第三半波片234、衍射器件235、傅里叶透镜241、分段半波片242、滤光小孔243、第一透镜244、第二透镜251、合色镜252、物镜253、筒镜254及成像镜头255。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例1

请参考图1为本发明实施例提供的一种分段半波片100，包括圆形基片110及粘贴于所述圆形基片110上的若干个扇形半波片120,若干个所述扇形半波片120沿斜边无缝拼接，形成圆环状的接收面，用以接收入射的激光光束。

在一些较佳的实施例中，圆形基片110为圆形玻璃薄片，所述扇形半波片120通过光学胶粘贴在所述圆形基片110上。

在一些较佳的实施例中，所述扇形半波片120的数量为大于或者等于四的偶数，且每个所述扇形半波片的角度相等。

可以理解，根据结构光照明显微系统需要的照明方向确定所述扇形半波片120的数量，当需要三个方向的照明时，需要扇形半波片120的数量为六个，且每个扇形半波片120的角度为60℃；当需要四个方向的照明时，需要扇形半波片120的数量为八个，且每个扇形半波片120的角度为45℃，依次类推。

在一些较佳的实施例中，相对的所述扇形半波片120的快轴方向平行。请参阅图2，表示为分段半波片100的角度关系图，其中虚线与各扇形半波片120快轴方向平行。

当入射的激光光束通过该分段半波片后，其偏振方向发生旋转，通过改变该分段半波片100的快轴方向与线偏振光偏振方向之间的夹角，可以实现对线偏振光偏振方向的任意角度调制，本发明提供的分段半波片100结构简单、安装简便、稳定性好，环境适应性好。

实施例2

请参阅图3，本发明还提供了一种结构光照明显微系统200，包括：光源模块210、准直扩束模块220、衍射调制模块230、滤光与偏振调制模块240及显微成像模块250。其中：

所述光源模块210包括激光器211以及沿所述激光器211出射的激光光束传播方向依次设置的声光可调谐滤波器212及第一半波片213。

所述准直扩束模块220用于对入射的激光光束进行准直扩束。

所述衍射调制模块230包括第二半波片231、滤光片232、偏振分光镜233、第三半波片234及衍射器件235。

所述滤光与偏振调制模块240包括傅里叶透镜241、分段半波片242、滤光小孔243及第一透镜244。

所述显微成像模块250包括第二透镜251、合色镜252、物镜253、筒镜254及成像镜头255。

本发明提供的结构光照明显微系统200，其工作方式如下：

所述激光器211出射的激光光束经所述声光可调谐滤波器212、所述第一半波片213后耦合进入单模保偏光纤m。

经所述单模保偏光纤m的激光光束入射进入所述准直扩束模块220，再经所述准直扩束模块220准直扩束后依次进入所述第二半波片231、滤光片232、偏振分光镜233、第三半波片234及衍射器件235，所述衍射器件235对入射的激光光束进行分光处理形成线偏振光。

优选地，所述衍射器件235为液晶空间光调制器LC-SLM、DMD和光栅中的任意一种。可以理解，入射的激光光束在衍射器件235处均为线偏振光。

所述线偏振光依次经所述第三半波片234、所述偏振分光镜233及所述傅里叶透镜241后入射进入所述分段半波片242，所述分段半波片242对入射的线偏振光的方向进行调制，并聚集于所述滤光小孔243处，所述滤光小孔243仅允许±1级光束透过，经所述分段半波片242调制后的偏振方向与所述滤光小孔243连线垂直。

请参阅图4(a)、(b)及(c)，由于衍射器件235在衍射分光时并不会改变光束的偏振态，因此入射分段半波片之前各衍射光束始终保持原始的水平偏振状态(图4a箭头方向)，分段半波242中每个半波片的快轴方向如图4b箭头方向，每个半波片的快轴方向与各衍射光束的偏振方向的夹角分别为-60°、90°和60°。

可以理解，根据半波片的光学性质，通过分段半波片242后各衍射光束偏振方向分别旋转了-120°、180°和120°(图4c箭头方向)，即±1级衍射光束的偏振方向平行于条纹方向。

请参阅图5(a)及(b)，为本发明实施例提供的滤光小孔243的结构示意图。

所述滤光小孔243包括两种小孔结构，两种小孔结构安装在电动转轮上，并可根据实际工作模式切换。图5(a)提供的滤光小孔243对应为2D的工作模式，图5(b)提供的滤光小孔243对应为3D工作模式，两种小孔结构安装在电动转轮上，根据实际工作模式(2D/3D)切换。可以理解，滤光小孔243过滤了除±1级衍射光斑外的其它光斑，±1级光透过滤光小孔。

在一些较佳的实施例中，所述滤光小孔243中的每一个方向上的小孔对应所述分段半波片242中的一个扇形。

透过所述滤光小孔243的光束再依次经所述第一透镜244、所述第二透镜251、所述合色镜252及所述物镜253后聚焦于样品处，并在样品处形成干涉条纹，所述干涉条纹激发样品产生荧光。

所述荧光依次经所述物镜253、所述合色镜252及所述筒镜254后在所述成像镜头255处成像，并根据图像重构出样品的超分辨信息。

本发明提供的结构光照明显微系统，其中，分段半波片的加工和安装精度要求低，光学加工与装配方法简单，可实现非常优良的偏振调制效果；且偏振调制过程即时完成，无需电控调节，没有时间延迟，在高速成像应用中有极大优势；实现成本低，后期扩展与维护更加简便。

当然本发明的分段半波片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 (10)

1.一种分段半波片，其特征在于，包括：圆形基片及粘贴于所述圆形基片上的若干个扇形半波片，若干个所述扇形半波片沿斜边无缝拼接，形成圆环状的接收面，用以接收入射的激光光束。

2.根据权利要求1所述的分段半波片，其特征在于，所述扇形半波片的数量为大于或者等于四的偶数，且每个所述扇形半波片的角度相等。

3.根据权利要求2所述的分段半波片，其特征在于，相对的所述扇形半波片的快轴方向平行。

4.一种结构光照明显微系统，其特征在于，包括：光源模块、准直扩束模块、衍射调制模块、滤光与偏振调制模块及显微成像模块，所述光源模块包括激光器以及沿所述激光器出射的激光光束传播方向依次设置的声光可调谐滤波器、第一半波片；所述准直扩束模块用于对入射的激光光束进行准直扩束；所述衍射调制模块包括第二半波片、滤光片、偏振分光镜、第三半波片及衍射器件；所述滤光与偏振调制模块包括傅里叶透镜、分段半波片、滤光小孔及第一透镜；所述显微成像模块包括第二透镜、合色镜、物镜、筒镜及成像镜头；其中：

所述激光器出射的激光光束经所述声光可调谐滤波器、所述第一半波片后耦合进入单模保偏光纤；

经所述单模保偏光纤的激光光束入射进入所述准直扩束模块，再经所述准直扩束模块准直扩束后依次进入所述第二半波片、滤光片、偏振分光镜、第三半波片及衍射器件，所述衍射器件对入射的激光光束进行分光处理形成线偏振光；

所述线偏振光依次经所述第三半波片、所述偏振分光镜及所述傅里叶透镜后入射进入所述分段半波片，所述分段半波片对入射的线偏振光的方向进行调制，并聚集于所述滤光小孔处，所述滤光小孔仅允许±1级光束透过，经所述分段半波片调制后的偏振方向与所述滤光小孔连线垂直；

透过所述滤光小孔的光束再依次经所述第一透镜、所述第二透镜、所述合色镜及所述物镜后聚焦于样品处，并在样品处形成干涉条纹，所述干涉条纹激发样品产生荧光；

所述荧光依次经所述物镜、所述合色镜及所述筒镜后在所述成像镜头处成像。

5.根据权利要求4所述的结构光照明显微系统，其特征在于，所述分段半波片包括：圆形基片及粘贴于所述圆形基片上的若干个扇形半波片，若干个所述扇形半波片沿斜边无缝拼接，形成圆环状的接收面，用以接收入射的激光光束。

6.根据权利要求5所述的结构光照明显微系统，其特征在于，所述扇形半波片的数量为六个，且每个所述扇形半波片的角度均为60℃。

7.根据权利要求6所述的结构光照明显微系统，其特征在于，相对的所述扇形半波片的快轴方向平行。

8.根据权利要求5所述的结构光照明显微系统，其特征在于，所述衍射器件为液晶空间光调制器LC-SLM、DMD和光栅中的任意一种。

9.根据权利要求5所述的结构光照明显微系统，其特征在于，所述滤光小孔包括两种小孔结构，两种小孔结构安装在电动转轮上，并可根据实际工作模式切换。

10.根据权利要求9所述的结构光照明显微系统，其特征在于，所述滤光小孔中的每一个方向上的小孔对应所述分段半波片中的一个扇形。