CN209542448U - 一种基于旋转照明的表面波成像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于旋转照明的表面波成像装置，包括：油浸显微物镜、分束镜、成像管镜、像面探测器、物镜后焦面扫描振镜系统、偏振调制器件、偏振分离器件和表面波成像基底；将激光聚焦在显微系统的油浸显微物镜后焦面，使激光形成大角度平行光束宽场照明于银纳米薄膜和特殊设计的多层介质纳米薄膜基片，激发表面波与表面样品相互作用。正交的偏振分离器件，有效地将激发光滤除，从而显微系统只收集信号光。振镜扫描系统使激光聚焦点在物镜后焦面高速扫描，消除了表面波作用于样品后在成像时带来的拖尾。该装置首次利用旋转照明提高了表面波显微成像的信噪比和分辨率，并首次利用介质多层膜光子带隙结构进行表面波显微成像。
Description
技术领域
本实用新型涉及高灵敏度的表面光学显微成像领域，特别涉及一种基于旋转照明的表面波成像装置。
背景技术
显微技术是人们了解微观世界最直接的手段，光学显微技术将微观世界图像直接呈现在我们眼前，是所有显微技术中最直观也是最常用的一种显微技术。表面波显微镜是利用表面波，主要是金属与空气界面的表面等离激元共振，作为照明光源，利用其在表面传播的强局域性，且对界面处的扰动非常灵敏的特性，来实现临近金属膜层表面样品的高灵敏度成像。上述主要显微技术在实际应用中具有很大的局限性，其存在的问题为：
1、信噪比差。传统的表面波显微成像时，由于激发场的表面波和样品散射的表面波相互干涉，会在样品沿激发方向一侧形成强烈的拖尾，拖尾长度等于表面波的沿表面的衰减长度，拖尾的信号与样品散射信号一同泄露下来被成像系统收集，使得成像信噪比被显著降低。
2、空间分辨率差。同样由于拖尾，传统的表面波成像系统对一具有边界的实际样品成像时，边界处会产生条纹状拖尾，使得其分辨率显著地下降。
3、时间分辨率差。近些年发展的表面波成像系统，为了提高分辨率，往往需要多次多角度采集图像，再利用算法消除成像的拖尾提高分辨率。带来的问题则是每获得一张显微图像需要大量的时间，时间分辨率差，无法进行实时观测。
4、工作环境单一、成本高。传统的表面波成像系统使用的基底只有金属膜一种，而金属膜作为成像基底，对工作环境有特殊要求，不能工作在水中，同时也容易氧化，不能重复利用，成本较高。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服传统表面波成像显微镜信噪比低、时间和空间分辨率差、工作环境单一且成本高的不足，提出了一种基于旋转照明的表面波成像系统。该系统的成像质量良好，可以实时观测，结构可靠性高，重复性高，利用了高速旋转照明和表面波的物镜激发，配合设计的多种表面波基片，实现了紧邻基片表面样品的高信噪比和高分辨率的表面波显微成像。
本实用新型实现上述目的的技术方案如下：
一种基于旋转照明的表面波成像系统，该装置包括：油浸显微物镜、分束镜、成像管镜、像面探测器、物镜后焦面扫描振镜系统、偏振调制器件、偏振分离器件和表面波成像基底；其中，
所述的偏振调制器件，用于将一束准直后的激光调制成任意方向的线偏光，并保持线偏激光束的功率恒定；经过物镜后焦面扫描振镜系统和分束镜后聚焦在油浸显微物镜的后焦面上，经过油浸显微物镜后形成一束具有特定入射角平行光照明样品，其具有足够大的波矢可以有效地激发特别制备的表面波成像基底中存在的表面波；表面波在传播中经过样品时，会激发出散射信号光和表面拖尾，通过物镜后焦面扫描振镜系统聚焦在后焦面并使聚焦点沿着一特定半径的环为轨迹进行高速扫描，就可以消弭拖尾；散射光再次由油浸显微物镜收集，透过分束镜后，在经过偏振分离器件时，激发光被有效地分离，只通过与激发光偏振方向垂直的信号光，信号光被成像管镜成像于像面探测器上，便可以获得高分辨率和对比度的表面波显微成像。
其中，表面波能够被经由油浸显微物镜出射的大角度光束所具备的波矢有效激发。
其中，油浸显微物镜被用于激发的同时也用于收集金属或介质多层薄膜的表面波成像基底所向下泄露的信号光。
其中，所述的偏振调制器件由一个宽带线偏振片和宽带半波片组成，可以有效地调制不同波长的激发光的偏振方向，并保持强度不变。
其中，所述的偏振分离器件被安装在显微系统的收集光路中，偏振方向与偏振调制器件所调制的方向正交，从而只收集信号光，有效提高了信噪比和对比度。
其中，所述的物镜后焦面扫描振镜系统通过控制两个扫描振镜的偏转来实现激光方向偏转，经过聚光镜精确地聚焦在油浸显微物镜的后焦面上。
其中，所述的物镜后焦面扫描振镜系统通过控制振镜的偏转使得激发光在物镜后焦面上的聚焦点，沿一特定半径的圆为轨迹高速旋转，从而消弭单一激发方向带来的像面拖尾。
其中，所述的物镜后焦面扫描振镜系统具有极高的扫描频率，最小周期小于10ms，远小于像面探测器的曝光时间，从而获得稳定的成像质量。
其中，所述的物镜后焦面扫描振镜系统具有精细的角度分辨能力，小于0.1°，从而可以满足表面波耦合所需的精确入射角度。
其中，所述的表面波成像基底包括金属纳米薄膜和多层介质纳米薄膜两种；
金属薄膜的成像基底使用金和银作为材料，加工出的纳米级厚度的薄膜支持表面等离激元模式，不同的厚度对应不同的入射角度；
多层介质纳米薄膜的成像基底，通过加工高低折射率交替的多层纳米薄膜，支持表面布洛赫波模式，通过改变各层的折射率和厚度，可以设计出支持不同波长、两类布洛赫波模式 (TE/TM)的多层介质纳米薄膜作为成像基底。
本实用新型技术方案的原理为：一种基于旋转照明的表面波成像系统，在特殊设计的表面波成像基底存在仅沿表面传播的电磁模式，对应金属薄膜为表面等离激元共振，对应多层介质薄膜为布洛赫表面波；通过后焦面振镜扫描系统将激发光准确聚焦在油浸显微物镜后焦面，可以有效地宽场激发表面波；表面波与邻近基片的样品相互作用，散射出信号光和表面拖尾，并被物镜和成像管镜收集，成像于像面探测器，从而获得样品的高灵敏度成像。同时，后焦面振镜扫描系统通过控制振镜的偏转，使得经过物镜出射的激发光固定激发角但方向角高速旋转，在时间平均的效应下，拖尾被消弭，信号光则得到加强。该系统实现了高分辨率和对比度的表面波成像。
本实用新型和现在有成像技术相比的优势为：
1、高信噪比：偏振分离器件有效去除激发光，旋转照明有效去除拖尾，使得成像信噪比远高于传统表面波显微系统。
2、高空间分辨率：在旋转照明的时间平均效应下，样品边缘的条纹状拖尾消失，边界清晰使得成像空间分辨率有效提高。
3、高时间分辨率：由于后焦面振镜扫描系统的最小扫描周期可以小于10ms，远小于人眼分辨时间和探测器曝光时间，从而可以实现显微图像的实时观测，具有较高的时间分辨率。
4、工作环境多样且可重复利用：通过特殊设计的不同成像基底，可以实现不同激发波长，在如气相液相等不同工作环境下的表面波成像；且多层介质薄膜作为成像基底可以重复清洗利用。
附图说明
图1为本实用新型一种基于旋转照明的表面波成像装置的结构示意图；
图2为旋转照明的原理示意图；
图3为利用该装置获得的纳米颗粒(直径约为50nm)和纳米纤维(直径约为150nm)的表面波成像，其中，图3中a为利用该装置获得的直径约为50nm纳米颗粒的表面波成像，图3中b为利用该装置获得的直径约为150nm纳米纤维的表面波成像。
图中，1为油浸显微物镜；2为分束镜；3为成像管镜；4为像面探测器；5为物镜后焦面扫描振镜系统；6为偏振调制器件；7为偏振分离器件；8为表面波成像基底；9为第一振镜；10为第二振镜；11为聚光镜；12为宽带半波片；13为起偏器；Θ(r)为表面波的激发角；为表面波的方向角。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述。
一种基于旋转照明的表面波成像系统，包括油浸显微物镜、分束镜、成像管镜、像面探测器、物镜后焦面扫描振镜系统、偏振调制器件、偏振分离器件和表面波成像基底；其中，偏振调制器件调制出任意偏振方向的宽带线偏振光束，可工作波长范围为400nm-700nm的可见波段，用以作为表面波的激发光。
其中，数值孔径为1.49的油浸显微物镜提供激发表面波所需的大波矢。
其中，物镜后焦面扫描振镜系统将激发光束精确聚焦于物镜后焦面，并沿一固定半径的圆环高速扫描，最小扫描周期小于10ms。
其中，偏振分离器件用于滤除激发光从而提高信噪比，消光比大于103:1。
其中，表面波成像基底的配制可以为金属单层薄膜，厚度为45nm，表面波类型为表面等离激元共振；或为Si3N4与SiO2的介质交替层，表面波类型为不同波长和偏振模式的布洛赫表面波。
参照图1所示的一种基于旋转照明的表面波成像系统，包括：油浸显微物镜1；分束镜 2；成像管镜3；像面探测器4；物镜后焦面扫描振镜系统5；偏振调制器件6；偏振分离器件7；表面波成像基底8；第一振镜9、第二振镜10；聚光镜11；宽带半波片12；起偏器13；其中，表面波成像基底是按需求制备的金属或多层介质薄膜，其结构可以支持表面存在表面等离激元和布洛赫表面波。扩束后的激光光源，经过偏振调制器件6调制出一有固定偏振的线偏光，进入物镜后焦面扫描振镜系统5后，经由两只振镜第一振镜9、第二振镜10分别调制两个正交方向的偏转，再通过聚光镜11，准确聚焦在油浸显微物镜1的后焦面上，通过驱动程序控制振镜的旋转，从而控制聚焦点在后焦面上的运行轨迹为一特定半径的圆。激发的表面波与样品相互作用产生的散射光再次经由油浸显微物镜1所收集，透过分束镜2后被成像管镜3成像于像面探测器4上。
参照图2所示，圆上任意一点都对应一个固定的表面波激发角Θ(r)，和表面波的方向角但若以单一的方向角激发表面波，则表面波与样品相互作用后在产生散射信号光的同时也会带来拖尾和条纹。而当聚焦点在后焦面轨迹沿一特定半径的圆扫描时，则经过油浸显微物镜1出射的光束满足表面波激发角Θ(r)固定，但方向角不停旋转，从而各个方向的条纹和拖尾，在时间平均的效应下被消弭，从而获得了高信噪比和分辨率的表面波成像。
参照图3所示，图3为利用该装置获得的纳米颗粒(直径约为50nm)和纳米纤维(直径约为150nm)的表面波成像，其中，图3中a为利用该装置获得的直径约为50nm纳米颗粒的表面波成像，该装置对极细小纳米颗粒具有很高的成像灵敏度，且信噪比高于传统表面波成像装置。图3中b为利用该装置获得的直径约为150nm的蜷曲纳米纤维的表面波成像，成像效果清晰而无拖尾干扰，该装置对表面二维材料成像分辨率和信噪比远高于受限于表面波衰减拖尾的传统表面波成像装置。
本实用新型未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (10)
1.一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于：该装置包括：油浸显微物镜(1)、分束镜(2)、成像管镜(3)、像面探测器(4)、物镜后焦面扫描振镜系统(5)、偏振调制器件(6)、偏振分离器件(7)和表面波成像基底(8)；其中，
所述的偏振调制器件(6)，用于将一束准直后的激光调制成任意方向的线偏光，并保持线偏激光束的功率恒定；经过物镜后焦面扫描振镜系统(5)和分束镜(2)后聚焦在油浸显微物镜(1)的后焦面上，经过油浸显微物镜(1)后形成一束具有特定入射角平行光照明样品，其具有足够大的波矢可以有效地激发表面波成像基底(8)中存在的表面波；表面波在传播中经过样品时，会激发出散射信号光和表面拖尾，通过物镜后焦面扫描振镜系统(5)聚焦在后焦面并使聚焦点沿着一环为轨迹进行高速扫描，就可以消弭拖尾；散射光再次由油浸显微物镜(1)收集，透过分束镜(2)后，被成像管镜(3)成像于像面探测器(4)上，偏振分离器件(7)被置于成像管镜(3)前端，通过设置与偏振调制器件(6)正交的偏振，可以有效地将激发光滤除，从而可以获得高分辨率和对比度的表面波显微成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于，表面波能够被经由油浸显微物镜(1)出射的大角度光束所具备的波矢有效激发。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于：油浸显微物镜(1)被用于激发的同时也用于收集金属或介质多层薄膜的表面波成像基底所向下泄露的信号光。
4.根据权利要求1所述的一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于：所述的偏振调制器件(6)由一个宽带线偏振片(13)和宽带半波片(12)组成，可以有效地调制不同波长的激发光的偏振方向，并保持强度不变。
5.根据权利要求1所述的一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于：所述的偏振分离器件(7)被安装在显微系统的收集光路中，偏振方向与偏振调制器件(6)所调制的方向正交，从而只收集信号光，有效提高了信噪比和对比度。
6.根据权利要求1所述的一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于：所述的物镜后焦面扫描振镜系统(5)通过控制两个扫描振镜的偏转来实现激光方向偏转，经过聚光镜(11)精确地聚焦在油浸显微物镜(1)的后焦面上。
7.根据权利要求1所述的一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于：所述的物镜后焦面扫描振镜系统(5)通过控制振镜的偏转使得激发光在物镜后焦面上的聚焦点，沿一圆为轨迹高速旋转，从而消弭单一激发方向带来的像面拖尾。
8.根据权利要求1所述的一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于：所述的物镜后焦面扫描振镜系统(5)具有极高的扫描频率，最小周期小于10ms，远小于像面探测器(4)的曝光时间，从而获得稳定的成像质量。
9.根据权利要求1所述的一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于：所述的物镜后焦面扫描振镜系统(5)具有精细的角度分辨能力，小于0.1°，从而可以满足表面波耦合所需的精确入射角度。
10.根据权利要求1所述的一种基于旋转照明的表面波成像装置，其特征在于：所述的表面波成像基底(8)包括金属纳米薄膜和多层介质纳米薄膜两种；
金属薄膜的成像基底使用金和银作为材料，加工出的纳米级厚度的薄膜支持表面等离激元模式，不同的厚度对应不同的入射角度；
多层介质纳米薄膜的成像基底，通过加工高低折射率交替的多层纳米薄膜，支持表面布洛赫波模式，通过改变各层的折射率和厚度，可以设计出支持不同波长、两类布洛赫波模式TE/TM的多层介质纳米薄膜作为成像基底。
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| CN201821516670.9U CN209542448U (zh) | 2018-09-17 | 2018-09-17 | 一种基于旋转照明的表面波成像装置 |
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| CN209542448U true CN209542448U (zh) | 2019-10-25 |
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Family Applications (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN209542448U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109239020A (zh) * | 2018-09-17 | 2019-01-18 | 中国科学技术大学 | 一种基于旋转照明的表面波成像系统 |
| CN113031242A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-06-25 | 上海交通大学 | 短曝光高速面扫刚性拼接显微成像系统和方法 |
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2018
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| CN109239020A (zh) * | 2018-09-17 | 2019-01-18 | 中国科学技术大学 | 一种基于旋转照明的表面波成像系统 |
| CN109239020B (zh) * | 2018-09-17 | 2023-11-17 | 中国科学技术大学 | 一种基于旋转照明的表面波成像系统 |
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