CN115657300A - 一种入射角可调的光学扫描装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种入射角可调的光学扫描装置及其调节方法，该光学扫描装置包括角度可调的平面反射镜、旋转位移平台、镀有金属反射膜的直角棱镜、平面反射镜；该方法为通过角度可调的平面反射镜调整入射角大小，然后通过入射光的位移对样品进行扫描，根据装置之间的位置关系，可以使从反射镜反射回来的光原路返回。本发明解决了光学扫描系统扫描困难的问题，使得扫描范围不再受限，而且入射角度的调整更加便捷，系统的分辨率和稳定性更高，实验结果更加准确；装置结构简单、紧凑、方法易操作，更易于小型化、实用化和商用化。

Description

一种入射角可调的光学扫描装置及其调节方法

技术领域

本发明涉及光学扫描系统技术领域，具体涉及一种入射角可调的光学扫描装置及方法。

背景技术

随着各类光学技术的高速发展，光学扫描系统应用广泛，在生物医学检测、显微成像技术、折射率传感等领域都发挥着重要的作用。判别一个光学扫描系统的性能的指标有扫描范围、分辨率和稳定性等因素。实验中为了提高系统的分辨率，往往会根据样品的不同，将扫描角度也就是入射角控制在一个很小的范围内，更换样品后必须要对入射角进行相应的调整。对于一些复杂的光学扫描系统，当系统搭建完成后想要调整入射角度，就必须对其它的实验装置的位置进行调整，过程繁琐，也给实验者带来了不必要的麻烦。而且光学扫描系统的信号接收的操作是比较困难的，信号接收的情况直接决定了系统的稳定性，而且也会使系统的扫描范围受限，影响系统的分辨率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术光学扫描系统中入射角度调整繁琐、接收信号困难造成系统扫描范围受限、分辨率低和稳定性差的问题，提供一种入射角可调的光学扫描装置及方法。本发明能够在不改变其他实验装置的基础上便捷地调整入射角，使得扫描范围也不再受限，有助于提高装置的分辨率和稳定性。

本发明实施例第一方面提供了一种入射角可调的光学扫描装置，所述光学扫描装置包括沿激光光路依次设置的位置可调的光束、角度可调的第一平面反射镜、旋转位移平台、等腰直角棱镜、样品、采样点、金属反射膜和第二平面反射镜；所述旋转位移平台用于控制第一平面反射镜旋转，所述样品位于等腰直角棱镜上，所述金属反射膜镀在等腰直角棱镜的表面上；所述光束到达第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后到达等腰直角棱镜的斜面并发生折射，折射的光束在等腰直角棱镜与样品的交界面的采样点处发生全反射，反射的光束经过等腰直角棱镜上的金属反射膜反射后到达等腰直角棱镜的斜面并发生折射，折射的光束经过第一平面反射镜反射后垂直入射到第二平面反射镜，然后光束原路返回。

进一步地，所述光束沿x轴或y轴方向移动时，采样点的移动方向与光束的移动方向一致。

进一步地，所述第一平面反射镜与水平方向的夹角的大小决定入射角度的大小。

进一步地，所述等腰直角棱镜的横截面为等腰直角形，其两条直角边分别沿y轴和z轴方向放置。

进一步地，所述样品放置于等腰直角棱镜的一条直角边上。

进一步地，所述等腰直角棱镜的另一条直角边镀有金属反射膜。

进一步地，所述第二平面反射镜水平放置，所述光束垂直入射到第二平面反射镜后原路返回。

本发明实施例第二方面提供了一种采用上述入射角可调的光学扫描装置的调节方法，所述调节方法包括以下步骤：

第1步、通过旋转位移平台控制第一平面反射镜与水平方向的夹角α，对入射角θ的大小进行调整；

第2步、确定好入射角θ后，通过控制光束在x轴或y轴方向的移动距离控制采样点的位置，以确定扫描范围和采样精度；

第3步、位置可调的光束到达第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后到达等腰直角棱镜的斜面并发生折射，折射的光束在等腰直角棱镜与样品的交界面的采样点处发生全反射，反射的光束经过等腰直角棱镜上的金属反射膜反射后到达等腰直角棱镜的斜面并发生折射，折射的光束经过第一平面反射镜反射后垂直入射到第二平面反射镜，然后光束原路返回。

进一步地，入射角θ与第一平面反射镜和水平方向的夹角α的对应关系通过下列表达式计算：

sini₁＝n₁ sini₂

其中，n₁为等腰直角棱镜的折射率，n₂为样品的折射率，i₁光束在空气与等腰直角棱镜交界面处的入射角，i₂表示光束在空气与等腰直角棱镜交界面处发生折射的折射角。

进一步地，光束在x轴或y轴方向的移动距离与采样点的移动距离对应关系为：

其中，d为采样点的移动距离，l为光束在x轴或y轴方向的移动距离。

本发明的有益效果是，本发明首次提出了一种入射角可调的光学扫描装置及方法，通过巧妙地设置光学器件的位置关系，在不改变其它实验装置的基础上通过角度可调的平面反射镜便捷地调整入射角大小，然后通过入射光的位移对样品进行扫描，根据装置之间的位置关系，可以使从反射镜反射回来的光原路返回。解决了光学扫描系统扫描困难的问题，使得信号接收情况更稳定，扫描范围不再受限，而且入射角度的调整更加便捷，系统的分辨率和稳定性更高，实验结果更加准确；装置结构简单、紧凑、方法易操作，更易于小型化、实用化和商用化。

附图说明

图1为一种入射角可调的光学扫描装置示意图；

图2为基于二维振镜的生物显微成像系统示意图；

图3为射角θ与夹角α的变化关系图。

图中，光束1、第一平面反射镜2、旋转位移平台3、等腰直角棱镜4、样品5、采样点6、金属反射膜7、第二平面反射镜8、激光器9、第三平面反射镜10、半波片11、分光棱镜12、二维振镜13、第四平面反射镜14、扫描镜15、第一双凸透镜16、第二双凸透镜17、偏振分光棱镜18、第五平面反射镜19、差分探测器20。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明。

实施例1

本发明的入射角可调的光学扫描装置，光学扫描装置如图1所示。该光学扫描装置包括沿激光光路依次设置的位置可调的光束1、角度可调的第一平面反射镜2、旋转位移平台3、等腰直角棱镜4、样品5、采样点6、金属反射膜7和第二平面反射镜8。其中，旋转位移平台3用于控制第一平面反射镜2旋转，通过转动第一平面反射镜2控制入射角度的变化，样品5位于等腰直角棱镜4上，金属反射膜7镀在等腰直角棱镜4的表面上。

应当理解的是，第一平面反射镜2与水平方向的夹角的大小决定入射角度的大小。

本实施例中，等腰直角棱镜4的横截面为等腰直角形，其两条直角边分别沿y轴和z轴方向放置。进一步地，样品5放置于等腰直角棱镜4的一条直角边上，等腰直角棱镜4的另一条直角边镀有金属反射膜7。

参见图1，该光学扫描装置中的各部件沿激光光路设置，具体地，光束1到达第一平面反射镜2，经第一平面反射镜2反射后到达等腰直角棱镜4的斜面并发生折射，折射的光束1在等腰直角棱镜4与样品5的交界面的采样点6处发生全反射，反射的光束1经过等腰直角棱镜4上的金属反射膜7反射后到达等腰直角棱镜4的斜面，会在此处发生折射，折射的光束1到达第一平面反射镜2，经过第一平面反射镜2反射后垂直入射到第二平面反射镜8，然后光束1原路返回。

本发明实施例中，入射角的大小可以精准的调整，扫描范围也不再受限，光束1可以原路返回，且采样点6的位置不变。

本实施例中，光束1沿x轴或y轴方向移动，采样点6的移动方向与光束1的移动方向一致；第二平面反射镜8水平放置，光束1垂直入射到第二平面反射镜8后原路返回。

值得一提的是，本发明实施例还提供一种入射角可调的光学扫描装置的调节方法。

该光学扫描装置的调节方法包括以下步骤：

第1步、通过旋转位移平台3控制第一平面反射镜2与水平方向的夹角α，对入射角θ的大小进行调整。

在本实施例中，该光学扫描装置中等腰直角棱镜4的折射率为n₁，样品6的折射率为n₂，光束1在空气与等腰直角棱镜4交界面处发生折射，入射角为i₁，折射角为i₂，根据折射定律有：

sin i₁＝n₁sin i₂

根据光学扫描装置各部件之间的位置关系，i₁、i₂可以用含有第一平面反射镜2与水平方向的夹角α表示，其表达式为：

则等腰直角棱镜4与样品5交界面的采样点6处的入射角θ可表示为：

其中，n₁为等腰直角棱镜4的折射率，n₂为样品6的折射率，i₁光束1在空气与等腰直角棱镜4交界面处的入射角，i₂表示光束1在空气与等腰直角棱镜4交界面处发生折射的折射角。

基于以上公式，可以根据实际需求调整第一平面反射镜2与水平方向的夹角α，从而对入射角θ的大小进行精准调控。

第2步、确定好入射角θ后，通过控制光束1在x轴或y轴方向的移动距离控制采样点6的位置，以确定扫描范围和采样精度。

具体地，根据第1步确定好的入射角θ后，通过控制光束1在x轴或y轴方向的移动距离控制采样点6的位置，具体可以通过下列表达式精准控制采样点6的位置：

其中，d为采样点6的移动距离，l为光束1在x轴或y轴方向的移动距离。

通过该方法，可以直接移动光束1达到对采样点6位置的精准控制，从而根据所选样品确定扫描范围和采样精度。

第3步、调整好光学扫描装置后，光学扫描装置开始工作，具体的激光光路为：位置可调的光束1到达第一平面反射镜2，经第一平面反射镜2反射后到达等腰直角棱镜4的斜面并发生折射，折射的光束1在等腰直角棱镜4与样品5的交界面的采样点6处发生全反射，反射的光束1经过等腰直角棱镜4上的金属反射膜7反射后到达等腰直角棱镜4的斜面并发生折射，折射的光束1经过第一平面反射镜2反射后垂直入射到第二平面反射镜8，然后光束1原路返回。

实施例2

本实施例介绍了一种基于二维振镜的生物显微成像系统，该系统将本发明的入射角可调的光学扫描装置搭建到基于二维振镜的生物显微成像系统中，如图2所示。应当理解的是，本发明的入射角可调的光学扫描装置还可以应用其它光学扫描系统中。

本实施例的基于二维振镜的生物显微成像系统的扫描方法如下：

第1步、将本发明的入射角可调的光学扫描装置搭建到基于二维振镜的生物显微成像系统中。

本实施例中，该生物显微成像系统包括本发明的入射角可调的光学扫描装置、激光器9、第三平面反射镜10、半波片11、分光棱镜12、二维振镜13、第四平面反射镜14、扫描镜15、第一双凸透镜16、第二双凸透镜17、偏振分光棱镜18、第五平面反射镜19和差分探测器20。其中，半波片11可以对光束1的偏振分量进行调制；二维振镜13可以改变光束的方向；分光棱镜12通常被称为BS，偏振分光棱镜18通常被称为PBS，二者均可以将入射光线分为P光和S光并从不同的方向出射；平衡探测器的两个接收端口20，可以自动将两个接收端口作差分处理后输出差分信号。

本实施例中，等腰直角棱镜4的材质为BK7玻璃，其折射率为1.517，样品5为结肠癌细胞。

第2步、通过旋转位移平台3控制第一平面反射镜2与水平方向的角度α，对光束1在等腰直角棱镜4与样品5交界面的采样点6处的入射角θ进行调整。

应当理解的是，入射角θ的大小可以根据待测的样品5的不同进行相应的调整。

具体地，可以根据入射角θ与第一平面反射镜2与水平方向的夹角α的对应关系表达式进行计算入射角θ。其中，本实施例中，n₁＝1.5168，则入射角θ与第一平面反射镜2与水平方向的夹角α的对应关系表达式为：

入射角θ与夹角α的变化关系如图3所示，另外，本实施例中，取样品5的折射率n₂为1.3331，为了保证实验发生在全反射条件下，所以入射角θ大于61.8°。

应当理解的是，当光束1从折射率n₁较高的介质进入折射率n₂较低的介质时，入射角θ大于临界角，才会发生全反射。临界角θ_c的计算可以通过下列公式计算：

在本实施例中，n₁＝1.5168，n₂＝1.3331，所以临界角θ_c约为61.8°。

如此，便可以基于以上公式，具体根据实验的需求调整第一平面反射镜2与水平方向的夹角α，从而对入射角θ的大小进行精准调控。

第3步、入射角θ的大小确定后，通过二维振镜13和扫描镜15使光束1可以沿x轴或y轴方向移动，调整移动距离，从而控制采样点6的移动距离，对样品5进行扫描。

具体地，根据下列表达式通过光束1在x轴或y轴方向的移动距离l确定采样点6的移动距离d：

通过该方法，可以通过控制二维振镜13使光束1移动达到对采样点6位置的精准控制，从而根据所选样品确定扫描范围和采样精度。光束1可以原路返回并由探测器接收，解决了光学扫描系统扫描困难的问题，扫描范围因此不再受限，而且入射角度的调整更加便捷，系统的分辨率和稳定性更高，实验结果更加准确。

第4步、根据入射角θ和采样点6的移动距离d，将光学扫描装置调整好后，激光器9发出的光束1经过第三平面反射镜10反射后到达半波片11，然后经过半波片11到达分光棱镜12，经过分光棱镜12分光后一路到达二维振镜13，另一路往上走(这一路不需要)，到达二维振镜13的一路光束1再经过第四平面反射镜14反射后经过扫描镜15和第一双凸透镜16后，光束1的移动方向由角度的转动变为平移运动，可以沿x轴或y轴方向移动。然后光束1到达第一平面反射镜2，经第一平面反射镜2反射后到达等腰直角棱镜4的斜面并发生折射，折射的光束1在等腰直角棱镜4与样品5的交界面的采样点6处发生全反射，由于等腰直角棱镜4的一条直角边镀有金属反射膜7，故全反射的光束1再由金属反射膜7反射后到达等腰直角棱镜4的斜面并发生折射，折射的光束1经过第一平面反射镜2反射后再经过第二双凸透镜17后垂直入射到第二平面反射镜8，然后光束1会原路返回。原路返回的光束1在到达分光棱镜12时，经过分光棱镜12分光后，一路光束1经过半波片11到第三平面反射镜10，再经过第三平面反射镜10反射后回到激光器9(这一路不需要)；另一路光束1到达偏振分光棱镜18，再由偏振分光棱镜18偏振分光后，一路进入差分探测器20的其中一个接收端口，另一路经过第五平面反射镜19反射后进入差分探测器20的另一个接收端口，光电探测器的输出信号经过数据采集卡后由计算机接收，经计算机处理后得到样品的折射率显微图像。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行来详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使用相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种入射角可调的光学扫描装置，其特征在于，所述光学扫描装置包括沿激光光路依次设置的位置可调的光束(1)、角度可调的第一平面反射镜(2)、旋转位移平台(3)、等腰直角棱镜(4)、样品(5)、采样点(6)、金属反射膜(7)和第二平面反射镜(8)；所述旋转位移平台(3)用于控制第一平面反射镜(2)旋转，所述样品(5)位于等腰直角棱镜(4)上，所述金属反射膜(7)镀在等腰直角棱镜(4)的表面上；所述光束(1)到达第一平面反射镜(2)，经第一平面反射镜(2)反射后到达等腰直角棱镜(4)的斜面并发生折射，折射的光束(1)在等腰直角棱镜(4)与样品(6)的交界面的采样点(6)处发生全反射，反射的光束(1)经过等腰直角棱镜(4)上的金属反射膜(7)反射后到达等腰直角棱镜(4)的斜面并发生折射，折射的光束(1)经过第一平面反射镜(2)反射后垂直入射到第二平面反射镜(8)，然后光束(1)原路返回。

2.根据权利要求1所述的入射角可调的光学扫描装置，其特征在于，所述光束(1)沿x轴或y轴方向移动时，采样点(6)的移动方向与光束(1)的移动方向一致。

3.根据权利要求1所述的入射角可调的光学扫描装置，其特征在于，所述第一平面反射镜(2)与水平方向的夹角的大小决定入射角度的大小。

4.根据权利要求1所述的入射角可调的光学扫描装置，其特征在于，所述等腰直角棱镜(4)的横截面为等腰直角形，其两条直角边分别沿y轴和z轴方向放置。

5.根据权利要求4所述的入射角可调的光学扫描装置，其特征在于，所述样品(5)放置于等腰直角棱镜(4)的一条直角边上。

6.根据权利要求4所述的入射角可调的光学扫描装置，其特征在于，所述等腰直角棱镜(4)的另一条直角边镀有金属反射膜(7)。

7.根据权利要求1所述的入射角可调的光学扫描装置，其特征在于，所述第二平面反射镜(8)水平放置，所述光束(1)垂直入射到第二平面反射镜(8)后原路返回。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的入射角可调的光学扫描装置的调节方法，其特征在于，所述调节方法包括以下步骤：

第1步、通过旋转位移平台(3)控制第一平面反射镜(2)与水平方向的夹角α，对入射角θ的大小进行调整；

第2步、确定好入射角θ后，通过控制光束(1)在x轴或y轴方向的移动距离控制采样点(6)的位置，以确定扫描范围和采样精度；

第3步、位置可调的光束(1)到达第一平面反射镜(2)，经第一平面反射镜(2)反射后到达等腰直角棱镜(4)的斜面并发生折射，折射的光束(1)在等腰直角棱镜(4)与样品(5)的交界面的采样点(6)处发生全反射，反射的光束(1)经过等腰直角棱镜(4)上的金属反射膜(7)反射后到达等腰直角棱镜(4)的斜面并发生折射，折射的光束(1)经过第一平面反射镜(2)反射后垂直入射到第二平面反射镜(8)，然后光束(1)原路返回。

9.根据权利要求8所述的入射角可调的光学扫描装置的调节方法，其特征在于，入射角θ与第一平面反射镜(2)和水平方向的夹角α的对应关系通过下列表达式计算：

sini₁＝n₁ sini₂

其中，n₁为等腰直角棱镜(4)的折射率，n₂为样品(5)的折射率，i₁光束(1)在空气与等腰直角棱镜(4)交界面处的入射角，i₂表示光束(1)在空气与等腰直角棱镜(4)交界面处发生折射的折射角。

10.根据权利要求8所述的入射角可调的光学扫描装置的调节方法，其特征在于，光束(1)在x轴或y轴方向的移动距离与采样点(6)的移动距离对应关系为：

其中，d为采样点(6)的移动距离，l为光束(1)在x轴或y轴方向的移动距离。

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