CN108873287A - 一种微型共焦显微成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型共焦显微成像装置，包括激光器、分光镜、精密位移台和光电探测器，激光器与分光镜之间依次设置有第一菲涅尔波带片和四分之一波片；精密位移台设置在分光镜的下方，被测样品设置在精密位移台上，分光镜与精密位移台之间设置有超表面聚焦单元；光电探测器设置在分光镜的一侧，分光镜与光电探测器之间设置有第二菲涅尔波带片；精密位移台用于对被测样品进行精密微位移控制，实现二维或三维扫描成像。本发明使用菲涅尔波带片和超表面透镜等平面透镜对共焦显微成像装置进行集成化设计，形成了一种结构简单、紧凑，造价更为便宜的微型化共焦显微成像装置。
Description
技术领域
本发明属于光学显微成像及精密测量技术领域，具体涉及一种微型共焦显微成像装置。
背景技术
共焦显微成像装置在结构上分为反射式和透射式两种，一般由光源、显微光学系统、扫描装置、检测装置和应用软件系统五部分组成，其中光学成像装置是核心部分。现有的共焦显微成像装置的光学成像部分一般由普通折射透镜或透镜组组成，以实现光束聚焦与物体成像。在这类装置中透镜加工质量和系统装调误差对成像效果影响较大，并且成像装置结构复杂、尺寸庞大。因此，为了使共焦显微成像装置中各光学元器件分布更加紧凑，有效减小装置的结构尺寸，实现共焦显微成像装置的微型化、集成化，有必要提出一种微型化结构的共焦显微成像装置。
目前，共焦显微镜中用于聚焦的透镜均为普通折射透镜，这种透镜由于使用的是连续曲面调制相位实现光束聚焦，从而不可避免地具有一定厚度，使得透镜结构尺寸和重量偏大。近年被大量研究的超表面平面透镜等微纳光学元件，不仅具有优异的聚焦特性，而且结构尺寸也远小于普通折射透镜，非常适用于一些仪器的微型化集成化应用。使用新型的平面透镜替代普通折射透镜对共焦显微成像装置进行设计，可以实现装置的微型化与集成化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种微型共焦显微成像装置，采用菲涅尔波带片和超表面透镜等平面透镜替代普通折射透镜对光束进行准直、聚焦与探测成像，实现共焦显微装置的微型化与集成化。
本发明采用以下技术方案：
一种微型共焦显微成像装置，包括激光器、分光镜、精密位移台和光电探测器，激光器与分光镜之间依次设置有第一菲涅尔波带片和四分之一波片；精密位移台设置在分光镜的下方，被测样品设置在精密位移台上，分光镜与精密位移台之间设置有超表面聚焦单元；光电探测器设置在分光镜的一侧，分光镜与光电探测器之间设置有第二菲涅尔波带片和探测针孔；精密位移台用于对被测样品进行精密微位移控制，实现二维或三维扫描成像。
具体的，激光器与单模光纤连接用于产生点光源，点光源位于第一菲涅尔波带片的主焦点处，光场经第一菲涅尔波带片准直形成平行光束，再经四分之一波片改变光波偏振态后进入分光镜。
进一步的，第二菲涅尔波带片经连接基块与探测针孔连接，探测针孔位于第二菲涅尔波带片的焦点处。
更进一步的，第二菲涅尔波带片位于连接基块的一侧表面中心位置，探测针孔位于连接基块的另一侧表面中心位置，第二菲涅尔波带片和探测针孔之间的距离由连接基块的厚度确定。
更进一步的，第一菲涅尔波带片、四分之一波片、分光镜、超表面聚焦单元、第二菲涅尔波带片和探测针孔为一体式结构。
具体的，第一菲涅尔波带片和四分之一波片位于分光镜的上表面中心位置，超表面聚焦单元位于分光镜的下表面中心位置。
具体的，第一菲涅尔波带片和第二菲涅尔波带片均为二元振幅型环带片或二元相位型环带片，各环半径rn满足关系如下：
其中，n＝0,1,2,…N，N为环带数量，λ为照明光波在菲涅尔波带片工作介质中的波长，λ＝λ0/η，η为菲涅尔波带片工作介质的折射率，λ0为照明激光的波长，f1为菲涅尔波带片焦距。
进一步的，菲涅尔波带片的等效数值孔径NA按照最大会聚半角α定义如下：
NA＝ηsinα
其中，α满足tanα＝rN/f1，rN为最外环外径。
具体的，超表面聚焦单元用于对入射光波的球面等相位调制，包括平面石英玻璃基底，平面石英玻璃基底上包括多个尺寸S×S的网格单元，每个网格单元的中心位置(x，y)设置TiO2纳米柱，TiO2纳米柱的偏转角度满足如下关系：
其中，λd为设计波长，f2为超表面聚焦单元焦距。
具体的，第一菲涅尔波带片、超表面聚焦单元和第二菲涅尔波带片均为平面透镜，属于微纳光学元件。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明的一种微型共焦显微成像装置中，被测样品设置在精密位移台上，整个装置的核心光学元器件以分光镜为基底集成到一起，使得整体结构简单、紧凑，实现了装置的微型化。
进一步的，对第一菲涅尔波带片、四分之一波片、分光镜、超表面聚焦单元、第二菲涅尔波带片和探测针孔进行集成化处理，使得整个共焦显微成像装置结构更加紧凑、整体尺寸大幅减小，实现了装置的微型化，所用的平面透镜能通过微加工工艺实现批量加工制造，有利于降低装置的制造成本。
进一步的，第一菲涅尔波带片和超表面聚焦单元直接设置于分光镜上下两面中心位置，充分利用了平面透镜结构尺寸微小的优点，有利于缩小装置的光路系统尺寸。
进一步的，第二菲涅尔波带片与探测针孔通过连接基块与与分光镜相连接，进一步缩小了光路系统尺寸，其中探测针孔位于第二菲涅尔波带片的焦点处，即连接基块的厚度刚好等于第二菲涅尔波带片的焦距。
进一步的，第一菲涅尔波带片和第二涅尔波带片采用二元振幅型或二元相位型，相比于多元甚至连续相位的菲涅尔波带片更加易于使用微加工工艺进行加工制备。
进一步的，通过合理选用聚焦性能更加优异的平面透镜，能够实现更高分辨率的二维或三维测量和成像。
进一步的，采用属于微纳光学元件的平面透镜，具有微纳尺度的结构尺寸，非常有利于光学仪器的集成，实现仪器的微型化。
综上所述，本发明使用菲涅尔波带片和超表面透镜等平面透镜对共焦显微成像装置进行集成化设计，形成了一种结构简单、紧凑，造价更为便宜的微型化共焦显微成像装置。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明超表面聚焦单元的聚焦原理示意图；
图3为本发明超表面聚焦单元的TiO2纳米柱单元示意图；
图4为本发明超表面聚焦单元的TiO2纳米柱单元侧视图；
图5为本发明超表面聚焦单元的TiO2纳米柱单元俯视图。
其中：1.激光器；2.单模光纤；3.第一菲涅尔波带片；4.四分之一波片；5.分光镜；6.超表面聚焦单元；7.样品；8.精密位移台；9.第二菲涅尔波带片；10.连接基块；11.探测针孔；12.光电探测器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种微型共焦显微成像装置，首先由激光器连接单模光纤产生点光源，通过第一菲涅尔波带片准直成平行光束，再经分光镜由一超表面物镜将激光光束聚焦于被测样品的一点，被测点光信息沿原光路返回至分光镜，经反射后由第二菲涅尔波带片聚焦于一探测针孔处，针孔后的光场被光电探测器收集输出，使用二维或三维压电陶瓷驱动样品进行二维平面或三维立体扫描。本发明使用两片菲涅尔波带片和一片超表面透镜进行光场的准直、聚焦与探测成像，均为微纳光学元件，不包含传统折射透镜或透镜组，极大地缩小了共焦显微装置的尺寸和结构，降低了结构复杂程度，实现了共焦显微装置的微型化和集成化。
请参阅图1，本发明一种微型共焦显微成像装置，包括激光器1、单模光纤2、第一菲涅尔波带片3、四分之一波片4、分光镜5、超表面聚焦单元6、样品7、精密位移台8、第二菲涅尔波带片9、连接基块10、探测针孔11和光电探测器12；精密位移台8的上方从上至下依次设置激光器1、单模光纤2、第一菲涅尔波带片3、四分之一波片4、分光镜5和超表面聚焦单元6，第二菲涅尔波带片9与第一菲涅尔波带片3垂直，设置在分光镜5的一侧，第二菲涅尔波带片9依次经过连接基块10和探测针孔11与光电探测器12连接，将整个光学成像装置固定，样品7设置在精密位移台8上，利用精密位移台8对被测样品7进行精密微位移控制，实现二维或三维扫描成像。
其中，激光器1连接单模光纤2产生点光源，该点光源固定于第一菲涅尔波带片3的主焦点处，其后依次设置四分之一波片4、分光镜5、超表面聚焦单元6、第二菲涅尔波带片9、连接基块10、探测针孔11和光电探测器12，探测针孔11位于第二菲涅尔波带片9的焦点处，即连接基块10的厚度刚好等于第二菲涅尔波带片9的焦距，将整个光学成像装置固定，利用精密位移台8对被测样品7进行微位移控制，实现二维或三维扫描成像。
第一菲涅尔波带片3和四分之一波片4位于分光镜5的上表面中心位置。
超表面聚焦单元6位于分光镜5的下表面中心位置。
第二菲涅尔波带片9位于连接基块10的左表面中心位置，探测针孔11位于连接基块10的右表面中心位置。
第一菲涅尔波带片3、四分之一波片4、分光镜5、超表面聚焦单元6、第二菲涅尔波带片9和探测针孔11紧凑地形成一个微型化、集成化的整体。
第一菲涅尔波带片3和第二菲涅尔波带片9的设计方法如下：
设照明激光束波长为λ0，菲涅尔波带片所在工作介质的折射率为η，则介质中光波波长为λ＝λ0/η，得到菲涅尔环带片的各环带半径满足关系如下：
其中，n＝0,1,2,…N，N为环带数，菲涅尔波带片的有效数值孔径按照最大会聚半角α定义，即NA＝ηsinα，α满足tanα＝rN/f1，其中，rN为最外环外径，f1为超表面聚焦单元焦距，η为菲涅尔波带片工作介质的折射率。
超表面聚焦单元6的聚焦原理如图2所示，首先将一块平面石英玻璃基底划分为若干个尺寸为S×S的网格单元，在每个单元中心位置(x，y)制作一个长为L、宽为W、高为H、偏转角度为的TiO2纳米柱；TiO2纳米柱的形式如图3所示，其高度如图4所示，长度和宽度如图5所示。
由于每个TiO2纳米柱偏转角度将对入射光波产生的相位调制，因此只要设计合理的表面TiO2纳米柱阵列，使每个位置(x，y)的TiO2纳米柱偏转角度满足：
其中，λd为设计波长。
就能实现对入射光波的球面等相位调制，进而实现光束聚焦。
优选的，用于聚焦、准直的第一菲涅尔波带片3、超表面聚焦单元6和第二菲涅尔波带片9均为平面透镜，属于微纳光学元件。
本发明所用的二维平面透镜可以通过微纳加工工艺实现批量加工制造，有利于降低装置的制造成本；而通过选择聚焦性能更加优异的平面透镜，有希望实现比现有共焦显微成像装置更高的成像分辨率。
本发明一种微型共焦显微成像装置的工作过程如下：
激光器外接单模光纤发出点光源，点光源位于第一菲涅尔波带片的主焦点，发射的激光光束经第一菲涅尔波带片准直形成平行光束，并由四分之一波片改变光波的偏振态，再通过分光镜透射至超表面聚焦单元，光束由超表面聚焦单元聚焦于被测样品上一点；经过样品反射或散射回的光束通过超表面聚焦单元沿原光路返回至分光镜，经分光镜反射的光束由第二菲涅尔波带片聚焦至探测针孔处，光电探测器对探测针孔后的光场进行强度探测输出；被测样品由精密位移台驱动进行微位移控制，进行二维或三维扫描，实现逐点共焦扫描成像。
本发明利用共焦显微成像原理，和现有的共焦显微成像装置的不同点在于本发明是一种基于平面透镜的微型共焦显微成像装置，装置结构中不含任何普通折射透镜，使用的均为平面透镜，属于微纳光学元件，有利于减小了装置的结构尺寸；同时对装置的核心光学元件进行了一定程度的集成，使整个共焦显微成像装置结构更加紧凑、尺寸大幅减小，实现了装置的微型化。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
激光器1发出532nm圆偏振激光光束，第一菲涅尔波带片3工作在空气介质即η＝1中，使用包含50环带的二元振幅型菲涅尔波带片；第二菲涅尔波带片9工作在连接基块10的玻璃介质中取η＝1.51，使用包含60环带的二元振幅型菲涅尔波带片；第一菲涅尔波带片3和第二菲涅尔波带片9的特性参数见表1，
表1菲涅尔波带片特性参数
| FZP | λ0(nm) | λ(nm) | f1(μm) | η | D(μm) | N | NA |
| FZP3 | 532 | 532 | 500 | 1 | 232.18 | 50 | 0.23 |
| FZP9 | 532 | 352.3 | 170 | 1.51 | 121.74 | 60 | 0.51 |
表中，λ0为照明波长，λ为菲涅尔波带片工作介质中光波波长，f1为菲涅尔波带片焦距，n为工作介质折射率，D为菲涅尔波带片的最大环带直径，N为环带数量，NA为等效数值孔径；菲涅尔波带片各环带结构的半径参数可由式1计算得出；环带透过率函数t(r)为：
式中，m＝0,1,2,...N/2-1，即菲涅尔波带片最内环为透光环。
同样在532nm圆偏振激光光束照明，空气介质即η＝1下，使用的超表面聚焦单元6的结构特性参数见表2。
表2超表面聚焦单元的结构特性参数
| 超表面 | λ0(nm) | λd(nm) | f2(μm) | η | D(μm) | NA | FWHM(nm) |
| M6 | 532 | 532 | 90 | 1 | 240 | 0.8 | 375 |
表中，λ0为照明波长，λd为超表面聚焦单元设计波长，f2为超表面聚焦单元焦距，FWHM表示超表面的聚焦光斑的横向半高全宽；其他主要元器件参数如下：
激光器1采用532nm二极管激光器，分光镜5为5mm×5mm×5mm立方分光镜。
根据以上实施实例，可以看到使用平面透镜进行设计的一种微型共焦显微成像装置，其包括第一菲涅尔波带片、四分之一波片、分光镜、超表面聚焦单元、第二菲涅尔波带片和探测针孔在内的核心光学元器件集成到了一个不足1cm×1cm×1cm体积的块体材料中，相比于普通的共焦显微镜极大地缩小了装置的整体结构尺寸，实现了装置的微型化。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，包括激光器(1)、分光镜(5)、精密位移台(8)和光电探测器(12)，激光器(1)与分光镜(5)之间依次设置有第一菲涅尔波带片(3)和四分之一波片(4)；精密位移台(8)设置在分光镜(5)的下方，被测样品(7)设置在精密位移台(8)上，分光镜(5)与精密位移台(8)之间设置有超表面聚焦单元(6)；光电探测器(12)设置在分光镜(5)的一侧，分光镜(5)与光电探测器(12)之间设置有第二菲涅尔波带片(9)和探测针孔(11)；精密位移台(8)用于对被测样品(7)进行精密微位移控制，实现二维或三维扫描成像。
2.根据权利要求1所述的一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，激光器(1)与单模光纤(2)连接用于产生点光源，点光源位于第一菲涅尔波带片(3)的主焦点处，光场经第一菲涅尔波带片(3)准直形成平行光束，再经四分之一波片(4)改变光波偏振态后进入分光镜(5)。
3.根据权利要求2所述的一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，第二菲涅尔波带片(9)经连接基块(10)与探测针孔(11)连接，探测针孔(11)位于第二菲涅尔波带片(9)的焦点处。
4.根据权利要求3所述的一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，第二菲涅尔波带片(9)位于连接基块(10)的一侧表面中心位置，探测针孔(11)位于连接基块(10)的另一侧表面中心位置，第二菲涅尔波带片(9)和探测针孔(11)之间的距离由连接基块(10)的厚度确定。
5.根据权利要求3所述的一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，第一菲涅尔波带片(3)、四分之一波片(4)、分光镜(5)、超表面聚焦单元(6)、第二菲涅尔波带片(9)和探测针孔(11)为一体式结构。
6.根据权利要求1所述的一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，第一菲涅尔波带片(3)和四分之一波片(4)位于分光镜(5)的上表面中心位置，超表面聚焦单元(6)位于分光镜(5)的下表面中心位置。
7.根据权利要求1所述的一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，第一菲涅尔波带片(3)和第二菲涅尔波带片(9)均为二元振幅型环带片或二元相位型环带片，各环半径rn满足关系如下：
其中，n＝0,1,2,…N，N为环带数量，λ为照明光波在菲涅尔波带片工作介质中的波长，λ＝λ0/η，η为菲涅尔波带片工作介质的折射率，λ0为照明激光的波长，f1为菲涅尔波带片主焦距。
8.根据权利要求7所述的一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，菲涅尔波带片的等效数值孔径NA按照最大会聚半角α定义如下：
NA＝ηsinα
其中，α满足tanα＝rN/f1，rN为最外环外径。
9.根据权利要求1所述的一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，超表面聚焦单元(6)用于对入射光波的球面等相位调制实现光束聚焦，包括平面石英玻璃基底，平面石英玻璃基底上包括多个尺寸S×S的网格单元，每个网格单元的中心位置(x，y)设置TiO2纳米柱，TiO2纳米柱的偏转角度θnf2满足如下关系：
其中，n＝0,1,2,…N，N为环带数量，λd为设计波长，f2为超表面聚焦单元焦距。
10.根据权利要求1所述的一种微型共焦显微成像装置，其特征在于，第一菲涅尔波带片(3)、超表面聚焦单元(6)和第二菲涅尔波带片(9)均为平面透镜。
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