[发明专利]一种基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置

说明书

本发明公开了一种基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置，入射光通过偏振器和滤波片的组合转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射待测样品，通过样品的透射光经过显微物镜和中继镜后入射到微结构空间滤波器，微结构空间滤波器对于两种正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光施加两个不同的附加相位，并且反转其所具有的圆偏振态，经过微结构空间滤波器的透射光再通过成像透镜以及交叉圆偏振器后成像在图像获取装置上。本发明显微成像装置不需要外加电控等有源设备就可以实现普通明场成像与相差成像模式的实时切换，因而可以快速获得振幅型和相位型成像物体的整体形貌以及边缘形态等信息，从而具有十分重要的科学意义和实用价值。

技术领域

本发明属于微纳光学领域，特别涉及一种可以利用入射光偏振态来控制成像模式的显微成像装置。

背景技术

光学显微镜的主要目的是放大微小的物体用于人眼观测。自诞生以来，就成为了人类洞察世界的新手段，广泛应用于生物医学，材料学，物理化学等诸多领域。由于它的重要性，人们对显微镜技术的改进从未停止过。甚至到目前，它仍是一个非常活跃的研究领域。

普通光学显微镜主要以明场成像模式为主。然而许多生物样品(组织、细胞、细菌等)并不含有天然色素，所以其可以被认为是相位型物体而非振幅型物体，样品的光线差别非常小，所以使用传统的成像模式无法对其进行有效识别。对样品进行标记染色是一种常规的手段，染色后的样品改变了光线的亮度和颜色，从而获得了较大的对比度，但带来的问题是样品的形变和生命体的死亡。

为了解决这些问题，相差显微技术在1957年被提出。相差显微技术不同于普通明暗场的成像技术，它主要对所观察的物体边缘形态进行成像，所以其在对相位型物体的科学研究和医学检测中有重要应用，比如用于血液中寄生虫检查和某些活细胞观察，用于辨认新鲜尿液中各种细胞和管型，特别是透明管型、白细胞、肾小管上皮细胞以及红细胞形态的分类，用于细菌、螺旋体、真菌孢子的快速辨认等。由于普通成像模式与相差成像模式能够分别反映振幅型物体和相位型物体不同维度的形貌信息，因而何如把两者集成在一套显微成像装置中并且可以实现模式动态切换就具有十分重要的科学意义和实用价值。

发明目的

本发明目的是提供一种只需要通过改变入射光两种正交的偏振状态，例如正交线偏振态、正交圆偏振态以及正交椭圆偏振态，就可以控制显微系统实现普通明场成像与相差成像两种不同的成像模式，完全不需要外加电场或磁场等有源控制方式的可以利用入射光偏振态控制控制成像模式的显微成像装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于入射光偏振控制的双模式光学显微成像装置，包括：光源、依次远离所述光源并设置于所述光源的出射光路上的偏振器、滤波片、显微物镜、中继镜、微结构空间滤波器、成像透镜、交叉圆偏振器和图像获取装置；待测样品放置在滤波片和显微物镜之间，入射光通过偏振器和滤波片的组合转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光照射待测样品，通过样品的透射光经过显微物镜和中继镜后入射到微结构空间滤波器，微结构空间滤波器对于两种正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光施加两个不同的附加相位，并且反转其所具有的圆偏振态，经过微结构空间滤波器的透射光再通过成像透镜以及交叉圆偏振器后成像在图像获取装置上。

进一步的，微结构空间滤波器包括透明基底和设置在基底表面的微结构柱阵列，所述微结构柱阵列的周期和高度接近波长尺寸，并满足以下条件：

其中：为微结构长轴和短轴的附加相位，θ为微结构的转角。

进一步的，微结构采用氧化钛、氧化铪、氧化硅、硅、氮化硅、铝、银或金材料。

进一步的，透明基底为透明石英。

进一步的，微结构空间滤波器采用以下方法制备而成：