[发明专利]一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置

说明书

本发明公开了基于波导片的反射式片上数字全息显微装置，包括一块刻有两个衍射光栅的波导片、载玻片以及图像传感器，其中波导片的偶入光栅区是耦入光栅，波导片的偶出光栅区是耦出光栅。该反射式片上数字全息显微装置，基于波导照明原理，利用衍射光栅实现反射式的片上显微成像。光源照明波导片的偶入光栅区，耦入波导片的部分衍射光在基片内发生全反射，在波导片的偶出光栅区将光线导出，照明放置在波导片的样品上方，经过样品反射的光记录在图像传感器上，达到反射式片上显微成像的目的。

技术领域

本发明属于片上显微成像的技术领域，具体涉及一种反射式的片上数字全息显微镜，特别的是一种基于波导照明原理的衍射波导。

背景技术

片上显微成像由于其无透镜的实验装置，具有小型化、轻量化以及成像光路简单的优势。常规的无透镜片上显微镜大多在明场透射模式下工作。以加州大学洛杉矶分校Aydogan Ozcan团队的实验装置为例，在透射模式下，样品被放置在样品上方5-10 cm处部分相应的光源照射，样品的全息投影被紧靠样品放置的图像传感器芯片捕获，图像传感器在样品下方距离2 mm。经过样品散射的光与未被散射的光发生干涉，形成样品的同轴全息图，进而记录在图像传感器上。在片上显微成像装置中，将样品与图像传感器贴近放置是为了保证成像系统的视场和分辨率。然而，由于样品与图像传感器之间的距离太小，实现反射模式下的片上显微成像很困难。

发明内容

本发明旨在提供具有偶入光栅区和偶出光栅区的波导片，使光线能经过偶入光栅区耦合至波导，在光波导内反射自偶出光栅区偶出，本发明解决的另一问题是通过在偶出光栅区上载玻片，并将照明放置在波导片上方的载玻片的上方，图像传感器放置在载玻片及波导片的正下方，波导片偶出的光线经过载玻片内的样品反射形成物光记录在图像传感器上，照明光照作为参考光照射到图像传感器上，达到反射式片上显微成像，形成样品的同轴全息图。

本发明的技术方案是：一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置，包括波导片、载玻片、图像传感器、照明光源，其中，所述波导片的上界面设有偶入光栅区和偶出光栅区，所述载玻片放置在偶出光栅区的上界面，所述图像传感器布置在波导片偶出光栅区的正下方，与载玻片的下界面距离不大于2mm，所述照明光源设置在波导片上方50~100m的位置处，使照明光源发出的光线入射到偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧和偶入光栅区中线上时，与偶入光栅区的法线分别形成入射夹角和，其中， 、、入射光线的波长及偶入光栅区的周期d₁、偶出光栅区周期d₂、波导片的折射率满足以下关系：

所述照明光源以入射夹角射入至偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧时形成的一级衍射角不小于波导片下界面的全反射角，，使从照明光源经偶入光栅区耦合入波导片的所有光线沿波导片向偶出光栅区传播；

，使照明光源以入射夹角射入至偶入光栅区的中线并经波导片反射至偶出光栅区的中线，并垂直于波导片的上界面射出到载玻片上，所述偶入光栅区和偶出光栅区的中线垂直于偶入光栅区和偶出光栅区的中心连线。

本发明的有益效果为：

1.照明光源以入射夹角射入至偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧时形成的一级衍射角θ₁不小于波导片下界面的全反射角时，使从照明光源经偶入光栅区耦合入波导片的所有光线沿波导片向偶出光栅区传播，从照明光源入射到偶入光栅区上的所有光线的一级衍射角都会大于波导片下界面的全反射角；

2. 照明光源以入射夹角射入至偶入光栅区的中线并经波导片反射至偶出光栅区的中线时，其衍射方程为：，如要衍射光从偶出光栅区上界面垂直出射，其衍射方程为：，，则有：，。

3. 该衍射光从偶出光栅区GO上界面垂直出射，照射载玻片中的样品后，全反射到波导片上的光线与波导片上界面法线的夹角为0，即小于波导片下界面的全反射角，因此可透过波导片照射到图像传感器上。

附图说明