CN114153063A

CN114153063A - 一种超表面物镜和基于该超表面物镜的体视显微镜

Info

Publication number: CN114153063A
Application number: CN202111487137.0A
Authority: CN
Inventors: 龚永兴
Original assignee: Hangzhou Najing Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Najing Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2022-03-08

Abstract

本发明公开了一种超表面物镜和基于该超表面物镜的体视显微镜，属于光学仪器技术领域，包括衬底和单元结构；所述衬底具备柔性；所述单元结构为亚波长微纳结构，呈周期性排布在衬底上，在衬底上产生等离子体耦合共振以实现对入射光的电场调控。本发明的超表面物镜，主要通过两个相互独立的共振单元周期性排布在衬底上，由于衬底的可延展特性，可以通过外加应力改变两个共振单元的间距，从而改变两种模式的耦合强度实现等离子体耦合现象的动态可调。通过外加应力的作用可以实现表面等离子耦合峰位的调节。本发明的体视显微镜，具有可变物镜间距离以改变在目标或物体处的右和左光路之间对向的角度，从而获得不同视场角下的立体视觉显微成像。

Description

一种超表面物镜和基于该超表面物镜的体视显微镜

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，特别涉及一种超表面物镜和基于该超表面物镜的体视显微镜。

背景技术

体视显微镜，亦称实体显微镜或解剖镜，是一种光学显微镜变体设计，用于样品的低倍率、大视场观察。该仪器采用的是伽利略光学系统，两个独立平行的光路通过一个物镜将焦点会聚到样品上，让每只眼睛获得相同差异角度，从而获得相同的立体效果，利用双目立体视觉原理实现样品的三维可视化。使用体视显微镜进行观察无需对观察对象进行加工，将其放在镜头下配合照明即可观察。体视显微镜具有较大的视场范围和低放大倍率，一般要求放大倍率在200倍以下。体视显微镜的特点如下：双目镜筒中的左右两光束不是平行的，而是具有一定的夹角——体视角一般为12°-15°，因此成像具有三维立体感，这是在目镜下方的棱镜把像倒转过来的缘故；虽然放大率不如常规显微镜，但其工作距离很长，焦深大，便于观察被检物体的全层，视场直径大。体视显微镜通常用于研究固体标本表面，在解剖、钟表制造、显微外科、电路板制造和检查等领域具有广泛应用。

光学超表面可以根据组成单元的材料属性分为金属超表面和全电介质超表面两类。

金属超表面由金属天线构成，天线将光束限制在亚波长尺度的范围内，并通过改变天线的形状、尺寸、空间方向等几何参数实现对于光场的振幅、相位、偏振特性的调控。已经过仿真和实验证明可以用于实现2π相位覆盖的金属超表面单元结构包括U型金属天线、金属纳米棒、金属狭缝和V型金属天线等。由于金属天线的深宽比较小，实际制造难度较低，可以通过金属剥离工艺实现；但由于金属材料的本征吸收，这类超表面通常效率较低，且工作带宽较窄。

全电介质超表面的吸收损耗在高频电磁波区域可忽略，因此可以有效解决等离子超表面面临的问题。全电介质超表面通常由高折射率介质天线构成，如TiO₂、SiN、Si等。根据超表面实现光场调控的机理不同，可以将全电介质超表面分为三类：基于米氏谐振的惠更斯超表面、基于波导模型的超表面和基于贝里相位的超表面。

相较于传统的多片式物镜，超表面物镜具有其独特优势。超表面物镜具有小尺寸、超薄、轻量的特性，同时也能够满足高透过率和大数值孔径的成像要求。近年来，随着微纳加工技术的进一步发展，超表面物镜的加工难度也有所下降。单片式超表面显微物镜的特有结构可以有效提高体视显微镜系统的空间利用率和便携性。因此，有必要将超表面物镜应用于体视显微镜。然而，将超表面物镜应用于体视显微镜，是一个复杂的体系，尚无这方面的研究成果发布。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种超表面物镜。

本发明的另一目的在于提供基于该超表面物镜的体视显微镜。

为了达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案。

一种超表面物镜，包括衬底和单元结构；所述衬底具备柔性；所述单元结构为纳米柱的亚波长微纳结构，呈周期性排布在衬底上，在衬底上产生等离子体耦合共振以实现对入射光的电场调控。

所述衬底的制备材料是聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯、双对氯甲基苯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚对二甲苯、SU-8光刻胶或聚苯乙烯中的任意一种。

所述单元结构的制备材料是金属材料或高折射率电介质材料；所述金属材料为金、银、铝或铜中的一种；所述高折射率电介质材料为硅、锗、三氧化二铝、二氧化钛或氧化锌中的一种。

所述单元结构的周期P = 350 nm，纳米柱高度H = 550 nm，纳米柱直径变化范围D=50-300nm。

一种超表面物镜的设计方法，包括以下步骤：

步骤S1，利用仿真软件对亚波长微纳结构重复单元进行参数扫描和仿真，要求每个亚波长微纳结构重复单元的透射率达到50%以上，并且通过改变纳米柱直径实现大于2π的相位覆盖；

步骤S2，超表面物镜的相位分布满足公式：

其中

为入射光波长，f为物镜焦距，r为焦点与物镜中心的距离；

步骤S3，得到超表面物镜的相位分布后，用仿真软件对物镜进行仿真，得到该超表面物镜的聚焦效果情况，使得超表面物镜的出射光会聚于焦点位置。

一种基于超表面物镜的体视显微镜，包括上述的超表面物镜。

一种基于超表面物镜的体视显微镜，还包括镜筒、目镜和管镜；

所述管镜底部安装有至少两个超表面物镜，所述管镜内部安装有主镜、聚焦镜；所述主镜接收来自超表面物镜的光束；所述聚焦镜反射从主镜接收的光至目镜上；所述管镜上方安装有镜筒；所述镜筒上方安装有目镜，目镜被设置为接收来自聚焦镜的光束。

一种基于超表面物镜的体视显微镜，还包括底座、支架、活动块；所述支架固定安装在底座上，所述活动块装配于支架；所述活动块固定安装有管镜。

本发明其具有以下优点：

本发明的超表面物镜，主要通过两个相互独立的共振单元周期性排布在衬底上，由于衬底的可延展特性，可以通过外加应力改变两个共振单元的间距，从而改变两种模式的耦合强度实现等离子体耦合现象的动态可调。通过外加应力的作用可以实现表面等离子耦合峰位的调节。

本发明的体视显微镜，具有可变物镜间距离以改变在目标或物体处的右和左光路之间对向的角度，从而获得不同视场角下的立体视觉显微成像。

附图说明

图1为超表面物镜的结构示意图，结构由电介质材料TiO₂纳米柱和可弯曲PDMS衬底构成；

图2是本发明中入射光为520nm可见光时不同直径单元结构的相位和透过率分布图，横坐标代表参数扫描中的纳米柱直径，在50nm~300nm范围内；

图3是超表面物镜的理想相位分布透射图，其中每个点都代表一种直径参数下的圆柱单元结构；

图4是超表面物镜的实际单元相位分布透射图，其中每个点都代表一种直径参数下的圆柱单元结构；

图5是超表面物镜在xz平面上的电场分布图；

图6是超表面物镜在焦平面上沿x轴的电场分布图；

图7是基于该超表面物镜的体视显微镜的立体结构示意图；

图8是基于该超表面物镜的体视显微镜的光路结构示意图；

图9是基于该超表面物镜的体视显微镜的光路调节示意图；

图中：衬底101、单元结构102、底座1、支架2、活动块3、镜筒4、目镜5、管镜6、主镜6a、聚焦镜6b、超表面物镜7。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

一种超表面物镜，包括衬底101和单元结构102。

图1为超表面物镜的结构示意图，如图1所示，所述衬底101具备柔性，且控制等离子体耦合共振的动态可调。

衬底101具有可弯曲、变形、生物兼容、高透明度以及良好稳定性的特点，其制备材料是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，简称PMMA)、聚酰胺（Polyamide，简称PA）、聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene glycol terephthalate，简称PET)、聚苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene naphthalate two formic acid glycol ester、简称PEN)、双对氯甲基苯(P-bis(chloromethyl)benzene，简称BCB)、聚酰亚胺（Polyimide，简称PI）、聚丙烯(Polypropylene，简称PP)、聚对二甲苯(Poly-p-xylene，简称Parylene.N.C)、SU-8光刻胶或聚苯乙烯(Polystyrene，简称PS)中的任意一种。这些材料具有良好的化学稳定性、透气性、透光性、弹性、生物兼容性，并能与传统半导体微纳加工集成技术很好的兼容。

所述单元结构102由亚波长尺寸的纳米柱构成，呈周期性排布在衬底上，在衬底上产生等离子体耦合共振以实现对入射光的电场调控。

所述单元结构102的制备材料是金属材料或高折射率电介质材料。金属材料为金、银、铝或铜中的一种。高折射率电介质材料为硅、锗、三氧化二铝、二氧化钛或氧化锌中的一种。

需要指出的是，纳米柱是一种行列点阵的纳米结构，在本方案的亚波长微纳结构中，纳米柱呈周期性排布在衬底上。图1中的形状是为了便于说明其单元结构，并非唯一形状。纳米柱的形状可以为多棱体、圆柱体、椎体中的任一种或多种。本实施例中以纳米柱的形状为圆柱体为例进行阐述，单元结构102的参数为周期P = 350 nm，纳米柱高度H = 550nm，纳米柱直径D的变化范围为50-300nm。

一种超表面物镜的设计方法，包括以下步骤：

超表面物镜的单元结构由高折射率电介质材料TiO₂纳米柱和可弯曲PDMS衬底构成，超表面物镜如图1。该结构在可见光范围内具有高折射率、低损耗的特性，因此具有较高的聚焦效率。

S1，利用FDTD-solutions仿真软件对亚波长微纳结构重复单元进行参数扫描和仿真，要求每个亚波长微纳结构重复单元的透射率达到50%以上，并且通过改变纳米柱直径实现大于2π的相位覆盖。优化得到的单元结构参数为周期P=350nm，纳米柱高度H=550nm，纳米柱直径D的变化范围为50-300nm，可实现对波前的完全调控；

S2，上述的超表面物镜的相位分布满足公式：

其中

为入射光波长，f为物镜焦距，r为焦点与物镜中心的距离。

在本实施例中，考虑设计一个小尺寸会聚透镜并仿真，超表面物镜直径约为35um，焦距为35um，设计波长为可见光520nm。

图2是本发明中入射光为520nm可见光时不同直径单元结构的相位和透过率分布图。图3和图4分别是根据该公式计算的超透镜相位分布拟合结果和透过率分布拟合结果。可以看出，相位拟合结果与理想分布基本一致，误差在5°范围内，整个超表面透镜的透过率分布在50%以上，透镜具有高效率的优点。

S3，得到超表面物镜的相位分布后，用FDTD-solutions仿真软件对物镜进行仿真，得到该超表面物镜的聚焦效果情况，使得超表面物镜的出射光会聚于焦点位置。

在本实施例中，得到该超表面物镜的聚焦效果如图5、6所示，分别为xz平面电场分布图和焦平面电场分布图。如图5，仿真得到的实际聚焦位置为z=35.58um，与设计值f=35um基本一致，误差在一个波长范围内。根据图6可计算该超透镜的聚焦效率达到80%以上。

FDTD-solutions仿真软件，由加拿大Lumerical Solutions公司出品，其基于矢量3维麦克斯维方程求解，采用时域有限差分FDTD法将空间网格化，时间上一步步计算，从时间域信号中获得宽波段的稳态连续波结果，独有的材料模型可以在宽波段内精确描述材料的色散特性，内嵌高速、高性能计算引擎，能一次计算获得宽波段多波长结果，能模拟任意3维形状，提供精确的色散材料模型。

一种基于超表面物镜的体视显微镜，如图7所示，包括底座1、支架2、活动块3、镜筒4、目镜5、管镜6以及超表面物镜7。

所述支架2固定安装在底座1上，所述活动块3装配于支架2。具体的，活动块3穿设于支架2，且活动块3螺纹连接有定位栓，定位栓螺接活动块3后顶触支架2，当拧松定位栓后，活动块3沿着支架2移动，当拧紧定位栓后，活动块3固定于支架2。

所述活动块3固定安装有管镜6；所述管镜6底部安装有至少两个超表面物镜7，该两个超表面物镜7被定位为彼此隔开预定距离并且适于观看物体。

所述超表面物镜7有两个，且两个超表面物镜7设置在一片超表面上，分别对物体的不同角度成像，形成立体视觉。一片超表面以提供用于右眼和左眼的两个不同的和区别的光路。构成超表面物镜7的超表面结构具有可延展性，可以通过外加应力改变共振单元间距，实现表面等离子耦合峰位的调节。

所述超表面物镜7是可移动的，两超表面物镜7同步沿着体视显微镜的水平面移动。超表面物镜7远离彼此移动以提供135度的最大视角。

如图8所示，所述管镜6内部安装有主镜6a、聚焦镜6b；所述主镜6a与超表面物镜7同步移动，移动超表面物镜7以获得对物体的清晰成像。通过调节两个主镜6a与超表面物镜7的位置关系，使经过超表面物镜7的光线能够由主镜6a和聚焦镜6b反射至目镜5。

所述聚焦镜6b反射从主镜6a接收的光。聚焦镜定位在平行于主镜6a的方向上，以接收来自主镜6a的光束。且聚焦镜6b将从主镜6a接收的光束反射在目镜上。

所述管镜6上方安装有镜筒4；所述镜筒4上方安装有目镜5，目镜5被设置为接收来自聚焦镜6b的光束。

如图9所示，超表面物镜7被配置成沿着水平面移动以提供可变的物镜间距离。主镜6a被配置用于与超表面物镜7同步运动。对于超表面物镜7的角位移，该主镜6a进行同步横向位移。

在使用过程中，首先将样品放置在样品台上并固定，通过调整活动块3可获得对样品的清晰成像。根据样品大小，可以在不同视场角下对样品进行观察，这一改变视场角大小的功能通过调整两片超表面物镜7的相对位置来实现。由于超表面物镜具有柔性的特点，可简单的通过机械拉伸或压缩改变两片超表面物镜的距离，从而改变视场角大小。在物镜彼此远离的情况下，最大可对135度的视场范围进行立体显微成像。

以上实施例提供了一种基于超表面显微物镜的体式显微镜设计方法，包括超表面显微物镜的具体设计步骤和体视显微镜装置的基本构成和工作原理。超表面显微物镜作为一种新型光学元件，在替代传统显微物镜中有较大潜力。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种超表面物镜，其特征在于，包括衬底（101）和单元结构（102）；

所述衬底（101）具备柔性；所述单元结构（102）由亚波长尺寸的纳米柱构成，呈周期性排布在衬底（101）上，在衬底上产生等离子体耦合共振以实现对入射光的电场调控。

2.根据权利要求1所述的一种超表面物镜，其特征在于，所述纳米柱的形状为多棱体、圆柱体、椎体中的任一种或多种。

3.根据权利要求2所述的一种超表面物镜，其特征在于，当所述纳米柱为圆柱体时，所述单元结构（102）的周期P = 350 nm，纳米柱高度H = 550 nm，纳米柱直径变化范围D的变化范围为50-300nm。

4.根据权利要求1所述的一种超表面物镜，其特征在于，所述衬底（101）的制备材料是聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯、双对氯甲基苯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚对二甲苯、SU-8光刻胶或聚苯乙烯中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种超表面物镜，其特征在于，所述单元结构（102）的制备材料是金属材料或高折射率电介质材料；

所述金属材料为金、银、铝或铜中的一种；所述高折射率电介质材料为硅、锗、三氧化二铝、二氧化钛或氧化锌中的一种。

6.一种根据权利要求1~5所述超表面物镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S2，超表面物镜的相位分布满足公式：

其中

为入射光波长，f为物镜焦距，r为焦点与物镜中心的距离；

7.一种基于超表面物镜的体视显微镜，其特征在于，包括权利要求1~5所述的超表面物镜（7）。

8.根据权利要求7所述的一种基于超表面物镜的体视显微镜，其特征在于，还包括镜筒（4）、目镜（5）和管镜（6）；

所述管镜（6）底部安装有至少两个超表面物镜（7），所述管镜（6）内部安装有主镜（6a）、聚焦镜（6b）；所述主镜（6a）接收来自超表面物镜（7）的光束；所述聚焦镜（6b）反射从主镜（6a）接收的光至目镜（5）上；所述管镜（6）上方安装有镜筒（4）；所述镜筒（4）上方安装有目镜（5），目镜（5）被设置为接收来自聚焦镜（6b）的光束。

9.根据权利要求8所述的一种基于超表面物镜的体视显微镜，其特征在于，还包括底座（1）、支架（2）、活动块（3）；所述支架（2）固定安装在底座（1）上，所述活动块（3）装配于支架（2）；所述活动块（3）固定安装有管镜（6）。