[发明专利]基于偏振复用实现不等间隔多平面成像的装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于偏振复用实现不等间隔多平面成像的装置，该装置的第一部分包括光源、起偏器、扩束准直装置、光阑、分光装置、第二分光棱镜及空间光调制器，第二部分包括第一反射镜、第三分光棱镜、第二反射镜、第四分光棱镜、第一透镜、检偏器及光电耦合器件；利用该装置，首先将入射光分成相互正交且传输方向一致的两束线偏振光，分别入射到两部分相位型扭曲光栅上，通过调整光栅的离焦参量实现不等间隔成像，再通过调整检偏器的偏振角度选取不同衍射级的成像；本发明的优点是：通过调整两部分光栅的参数，实现多平面的不等间隔成像，不再是等间距成像，同时利用偏振特性对所成图像进行选择性地观察和研究，适用于纵向分布不均匀的物体。

技术领域

本发明涉及显微成像，尤其涉及一种在光栅成像的基础上利用偏振复用实现不同深度物体同时成像的不等间隔多平面成像装置，同时涉及利用该装置实现不等间隔多平面成像的方法。

背景技术

自最初显微镜的诞生以来，光学显微镜的发展已经有了四百多年的历史。显微镜技术的发展在很大程度上推动了生命科学的进程，随着人类科技的不断进步，光学显微镜的放大率已经超过1000倍。在显微镜功能越来越强大，越来越人性化的同时，人们对它的要求也会越来越高。主要在于显微镜的景深和分辨率存在矛盾：当需要采集三维物体多个深度处的强度信息时，由于显微成像系统的景深有限，尤其是在使用大数值孔径的显微物镜时，即使是微小的离焦也会使得显微镜无法得到清晰的成像。我们不得不在纵向上移动待测样品和显微物镜，在这个过程中误差不能避免，而且由于物距发生变化，样品的横向放大率也会不同。因此，非机械移动实现多平面同时成像成为了现阶段显微成像技术的一个热点问题。

Blanchard与Greenaway在1999年提出把振幅型扭曲光栅和透镜组合，成功地将三个不同深度的物体在光栅不同衍射级次同时成像，然而由于振幅型扭曲光栅的衍射效率比较低，通常只有0级和±1级被有效利用,所以Blanchard与Greenaway提出可以使用相位型的光栅来提高衍射效率(衍射级数量通常<10)。相位型扭曲光栅技术在显微成像领域就得到了越来越广泛的应用，比如多平面3D粒子的成像与追踪、流体速度测量等，通过观察物体在九个平面上成像的变化来判断物体的位置和速度。更值得一提的是，该技术可以达到纳米级的轴向分辨率，所以在显微领域会有很大的应用空间。相对于扫描成像这些传统的多平面成像方法来说，该技术不但避免了成像过程中机械移动所带来的误差，而且省去了扫描物体和重建图像的时间，实现了多平面的实时成像。2013年周常河等在扭曲光栅中引入了达曼光栅，也使得更多的衍射级次可以被利用(达到了7*7)。2016年周常河等又改进了达曼光栅，进一步提高了扭曲光栅的衍射效率。达曼光栅的引入虽然在有效衍射级的数量上有了很大的提升，但是，随着衍射级的数量的增加，由于CCD靶面的面积有限，可以获取到视场就相对减少，而且只能对等间距的物体层面进行同时成像。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的在于针对现有技术存在的缺陷提出一种基于偏振复用技术实现不等间隔多平面成像的装置；本发明的第二目的是提供利用该装置实现不等间隔多平面成像的方法。

技术方案：本发明采用如下技术方案实现：一种基于偏振复用实现不等间隔多平面成像的装置，包括用于分光调制的第一部分和用于聚焦成像的第二部分，第一部分包括光源、起偏器、扩束准直装置、光阑、分光装置、第二分光棱镜及加载有光栅A和光栅B的空间光调制器，各元件沿光路方向依次直线布置；其中，分光装置包括偏振分光棱镜和第一分光棱镜，物光光束r通过分光装置分成两束偏振态相互正交且传输方向一致的线偏振光，且在空间光调制器与第二分光棱镜之间设有用于调整入射光偏振角度的半波片；第二部分包括与半波片、光栅B位于同一直线的第三分光棱镜、第四分光棱镜、将光栅的衍射光聚焦于第四分光棱镜的第一反射镜和第二反射镜、用于成像的光电耦合器件及位于第四分光棱镜和光电耦合器件之间的第一透镜和检偏器。

进一步的，空间光调制器的靶面一分为二，光栅A和光栅B分别加载于靶面的两个部分，且光栅A和光栅B均为相位扭曲型光栅。