CN108072970B - 光镊光片显微成像装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变焦光镊光片显微成像装置和方法，属于光学显微成像与光学操控技术领域。该装置包括：光片照明模块、光片探测模块、光镊聚焦模块和光镊轴向调焦模块。本发明在常规光镊显微系统中增加由偏振分光镜、四分之一波片、低孔径物镜、管镜和平面反射镜组成的轴向调焦装置，实现光镊光片显微镜中光镊焦面的轴向移动，从而抓取悬浮样品实现轴向移动，完成光片三维层析扫描成像。

Description

光镊光片显微成像装置和方法
技术领域
本发明属于光学显微成像与光学操控技术领域，涉及一种变焦光镊光片显微成像装置和方法。可实现光镊显微系统分离调焦，完成三维光片扫描成像。
背景技术
在常规物镜式光镊显微镜中，光镊装置与成像装置通常位于样品两侧，方便进行单独调焦，然而在某些需要引入其他环境变量的显微观测应用中(如在样品一侧加入辐射装置用于研究活细胞对辐射的响应机制)，要求光镊与成像装置位于样品同侧，此时，由于光镊与三维显微成像装置共用同一颗物镜，其焦面难以分离，无法实现三维扫描成像。在光镊系统中加入变焦镜头或DMD可以改变光镊的聚焦位置，解决上述问题，然而调制速度较慢或成本昂贵。
发明内容
本发明公开了一种变焦光镊光片显微成像装置和方法，该装置与方法同现有技术相比，不仅可以提高变焦与轴向层析速度，而且还可以降低观测成本。
本发明的目的是这样实现的：
变焦光镊光片显微成像装置，包括：
光片照明模块、光片探测模块、光镊聚焦模块和光镊轴向调焦模块：
所述的光片照明模块按照光线传播方向依次为：激光器一、扩束镜柱面镜、管镜一和物镜一；
所述的光片探测模块按照光线传播方向依次为：物镜二、收集透镜、和CCD；
所述的光镊聚焦模块按照光线传播方向依次为：偏振分光镜、管镜三、管镜二、和物镜三；
所述的光镊轴向调焦模块按照光线传播方向依次为：激光器二、传导光纤、准直镜、偏振分光镜、四分之一波片、物镜四和平面反射镜；
所述的光镊聚焦模块、光镊轴向调焦模块共用偏振分光镜；
物镜一的下方设置被测样品。
进一步地：所述的被测样品为培养皿中微米级或纳米级悬浮细胞或颗粒状待测样品；
进一步地：上述的变焦光镊光片显微成像装置和方法，其特征在于光镊轴向调焦模块发射单色激光波长介于750nm-900nm之间，利用物镜三夹持待测样品；光片照明模块发射单色激光波长介于350nm-700nm，利用物镜一形成片状光照明被测样品；
进一步地：上述的变焦光镊光片显微成像装置和方法，其特征在于偏振分光镜反射光偏振方向同激光器二入射光偏振方向相同；
进一步地：上述的变焦光镊光片显微成像装置和方法，其特征在于平面反射镜轴向移动范围等于物镜三的焦深；
方案二：上述的变焦光镊光片显微成像装置和方法，成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、激光器一发出激发光，经过扩束镜之后形成平行光，平行光束经过柱面镜形成片状光，经过管镜一物镜一透射后在被测样品上形成片状光，所述的片状光激发样品焦平面发出荧光；
步骤b、激光器二发出激光经偏振分光镜过四分之一波片和物镜四透射到平面反射镜产生反射激光，反射激光经四分之一波片偏振分光镜管镜三管镜二和物镜三形成聚焦光斑夹住被测样本中悬浮颗粒；
步骤c、设置平面反射镜初始位置位于物镜四的准焦面②，则光镊聚焦位置位于物镜三的准焦面②’，设置平面反射镜轴向扫描范围D1+D2，则对应光镊聚焦光斑轴向扫描范围为D1’+D2’，平面反射镜位置与光镊聚焦位置对应关系为D1/D1’＝D2/D2’＝(M1M2)2；所述D1为平面反射镜远焦位移，D1’为光镊聚焦位置近焦位移，D2为平面反射镜近焦位移，D2’为光镊聚焦位置远焦位移，M1为物镜四与管镜三的焦距比值，M2为管镜二与物镜三的焦距比值；
步骤d、设置扫描层数为N，则平面反射镜(16)扫描步进为(D1+D2)/N，光镊聚焦光斑扫描步进为(D1’+D2’)/N，从而实现快速三维层析扫描。
有益效果：传统光镊显微成像系统中通常使用变焦镜或DMD调制波前的途径进行光镊系统与显微成像系统的焦面分离，用于三维成像，然而具有装调复杂、调制速度受限与成本昂贵的弊端。本发明利用由偏振分光镜、四分之一波片、低孔径物镜、管径和平面反射镜组成的光镊调焦模块，可实现在载物台和物镜不动的情况下，仅通过轴向移动平面反射镜似光镊焦面进行轴向移动，完成对光镊抓取样品的快速三维扫描成像。
附图说明
图1结构示意图。
图2流程图。
图中：1激光器一、2扩束器、3柱面镜、4管镜一、5物镜一、6待测样品、7物镜二、8收集透镜、9 CCD、10物镜三、11管镜二、12管镜三、13偏振分光镜、14四分之一波片、15物镜四、16平面反射镜、17准直镜、18传导光纤、19激光器二、20滤光片。
具体实施方式
根据本发明的一具体实施例，提供一种轴向快速切换三维层析扫描的测量装置，用于快速切换轴向位置实现三维层析扫描。
请参照图1，图1为本发明的变焦光镊光片显微成像装置的实施例示意图。如图1所示，变焦光镊光片显微成像装置，包括：
光片照明模块、光片探测模块、光镊聚焦模块和光镊轴向调焦模块：
所述的光片照明模块按照光线传播方向依次为：激光器一1、扩束镜2、柱面镜3、管镜一4和物镜一5；
所述的光片探测模块按照光线传播方向依次为：物镜二7、滤光片20、收集透镜8、和CCD9；
所述的光镊聚焦模块按照光线传播方向依次为：偏振分光镜13、管镜三12、管镜二11、和物镜三10；
所述的光镊轴向调焦模块按照光线传播方向依次为：激光器二19、传导光纤18、准直镜17、偏振分光镜13、四分之一波片14、物镜四15和平面反射镜16；
所述的光镊聚焦模块、光镊轴向调焦模块共用偏振分光镜13；
所述的被测样品6为培养皿中微米级或纳米级悬浮细胞或颗粒状待测样品；
所述的光镊轴向调焦模块中激光器二19发出激光，经过传导光纤18和准直镜17形成平行光，经过偏振分光镜13反射，再经过四分之一波片14和物镜四15出射到平面反射镜16，光线经平面反射镜反射后再次先后经过物镜四15和四分之一波片14，透过偏振分光镜13后进入光镊聚焦模块；
所述的变焦光镊光片显微成像装置和方法中，光片照明模块发出片状激光与光镊聚焦模块合成光路，使待测样品激发荧光进入光片探测模块，光镊轴向调焦模块中，平面反射镜在位置①时，对应光镊聚焦位置为①’，平面反射镜在位置②时，对应光镊聚焦位置为②’，平面反射镜在位置③时，对应光镊聚焦位置为③’。
上述的变焦光镊光片显微成像装置和方法，其特征在于光镊轴向调焦模块发射单色激光波长介于750nm-900nm之间，利用物镜三10夹持待测样品6；光片照明模块发射单色激光波长介于350nm-700nm，利用物镜一5形成片状光照明待测样品6；
上述的变焦光镊光片显微成像装置和方法，其特征在于偏振分光镜13反射光偏振方向同激光器二19入射光偏振方向相同；
上述的变焦光镊光片显微成像装置和方法，其特征在于平面反射镜16轴向移动范围等于物镜三10的焦深；
上述的变焦光镊光片显微成像装置和方法，成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、激光器一1发出激发光，经过扩束镜2之后形成平行光，平行光束经过柱面镜3形成片状光，经过管镜一4物镜一5透射后在被测样品6上形成片状光，所述的片状光激发样品焦平面发出荧光；
步骤b、激光器二19发出激光经偏振分光镜13过四分之一波片14和物镜四15透射到平面反射镜16产生反射激光，反射激光经四分之一波片14偏振分光镜13管镜三12管镜二11和物镜三10形成聚焦光斑夹住被测样本中悬浮颗粒；
步骤c、设置平面反射镜16初始位置位于物镜四15的准焦面②，则光镊聚焦位置位于物镜三10的准焦面②’，设置平面反射镜16轴向扫描范围D1+D2，则对应光镊聚焦光斑轴向扫描范围为D1’+D2’，平面反射镜16位置与光镊聚焦位置对应关系为D1/D1’＝D2/D2’＝(M1M2)2；所述D1为平面反射镜16远焦位移，D1’为光镊聚焦位置近焦位移，D2为平面反射镜16近焦位移，D2’为光镊聚焦位置远焦位移，M1为物镜四15与管镜三12的焦距比值，M2为管镜二11与物镜三10的焦距比值；
步骤d、设置扫描层数为N，则平面反射镜16扫描步进为(D1+D2)/N，光镊聚焦光斑扫描步进为(D1’+D2’)/N，从而实现快速三维层析扫描。

Claims (5)

1.一种光镊光片显微成像装置，其特征在于，包括：光片照明模块、光片探测模块、光镊聚焦模块和光镊轴向调焦模块：
所述的光片照明模块按照光线传播方向依次为：激光器一(1)、扩束镜(2)、柱面镜(3)、管镜一(4)和物镜一(5)；
所述的光片探测模块按照光线传播方向依次为：物镜二(7)、滤光片(20)、收集透镜(8)、和CCD(9)；
所述的光镊聚焦模块按照光线传播方向依次为：偏振分光镜(13)、管镜三(12)、管镜二(11)、和物镜三(10)；
所述的光镊轴向调焦模块按照光线传播方向依次为：激光器二(19)、传导光纤(18)、准直镜(17)、偏振分光镜(13)、四分之一波片(14)、物镜四(15)和平面反射镜(16)；
所述的光镊聚焦模块、光镊轴向调焦模块共用偏振分光镜(13)；
被测样品(6)为培养皿中微米级或纳米级悬浮细胞或颗粒状待测样品；
所述的光镊轴向调焦模块中激光器二(19)发出激光，经过传导光纤(18)和准直镜(17)形成平行光，经过偏振分光镜(13)反射，再经过四分之一波片(14)和物镜四(15)出射到平面反射镜(16)，光线经平面反射镜反射后再次先后经过物镜四(15)和四分之一波片(14)，透过偏振分光镜(13)后进入光镊聚焦模块。
2.根据权利要求1所述的一种光镊光片显微成像装置，其特征在于光镊轴向调焦模块发射单色激光波长介于750nm-900nm之间，利用物镜三(10)夹持被测样品(6)；光片照明模块发射单色激光波长介于350nm-700nm，利用物镜一(5)形成片状光照明被测样品(6)。
3.根据权利要求1所述的一种光镊光片显微成像装置，其特征在于偏振分光镜(13)反射光偏振方向同激光器二(19)入射光偏振方向相同。
4.根据权利要求1所述的一种光镊光片显微成像装置，其特征在于平面反射镜(16)轴向移动范围等于物镜三(10)的焦深。
5.一种光镊光片显微成像方法，该方法是基于权利要求1中所述的光镊光片显微成像装置实现的，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、激光器一(1)发出激发光，经过扩束镜(2)之后形成平行光，平行光束经过柱面镜(3)形成片状光，经过管镜一(4)、物镜一(5)透射后在被测样品(6)上形成片状光，所述的片状光激发样品焦平面发出荧光；
步骤b、激光器二(19)发出激光经偏振分光镜(13)过四分之一波片(14)和物镜四(15)透射到平面反射镜(16)产生反射激光，反射激光经四分之一波片(14)、偏振分光镜(13)、管镜三(12)、管镜二(11)和物镜三(10)形成聚焦光斑夹住被测样本中悬浮颗粒；
步骤c、设置平面反射镜(16)初始位置位于物镜四(15)的准焦面②，则光镊聚焦位置位于物镜三(10)的准焦面②’，设置平面反射镜(16)轴向扫描范围D1+D2，则对应光镊聚焦光斑轴向扫描范围为D1’+D2’，平面反射镜(16)位置与光镊聚焦位置对应关系为D1/D1’＝D2/D2’＝(M1M2)2；所述D1为平面反射镜(16)远焦位移，D1’为光镊聚焦位置近焦位移，D2为平面反射镜(16)近焦位移，D2’为光镊聚焦位置远焦位移，M1为物镜四(15)与管镜三(12)的焦距比值，M2为管镜二(11)与物镜三(10)的焦距比值；
步骤d、设置扫描层数为N，则平面反射镜(16)扫描步进为(D1+D2)/N，光镊聚焦光斑扫描步进为(D1’+D2’)/N，从而实现快速三维层析扫描。
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