一种基于DMD的调谐滤光装置的制作方法

本实用新型属于显微光学成像技术领域，尤其涉及一种基于DMD的调谐滤光装置。

背景技术：

现有的光学滤光片的工作波长单一且固定，一些可调谐的光学滤光器调谐能力有限，基本只能实现在同一时间，单一波长，单一带宽的调节。

荧光显微镜是用特定波长的光照射样品，样品受到激发后发射荧光，经由探测器(如PMT、CCD等)采集，硬件软件处理后即可得到样品的一些组织结构图像信息。一般来说，样品发射的荧光光谱的中心波长和激发光的波长不同，为了得到信噪比比较好的荧光图像结果，需要使用滤光片滤掉激发光以及其他杂散光，保证探测器采集到的信号皆来自于荧光。因此，光学滤光片是荧光显微系统中至关重要的元件，其性能直接影响荧光显微镜的成像效果。

很多生物组织样品，不同的结构成分能够激发出的荧光(包括自发荧光和荧光探针)光谱不同。而目前市场上应用广泛的光学滤光片工作波长单一且确定，使用这种滤光片，探测器采集到的信号为所有不同结构成分发出的荧光混合强度，不能够有效地进行区分。使用多种滤光片组合，并结合机械结构，如滤光轮等进行手动切换，不仅非常不便利，而且速度受限。因此，需要快速可调谐的光学滤光器满足不同的荧光成像需求。目前市场上主流的可调谐滤光器包括以下几种：LCTF(液晶可调谐滤光器)，AOTF(声光可调谐滤光器)，LLTF(基于体布拉格光栅的可调谐滤光器)。

专利公开号为CN101023388A公开的一种可调谐滤光器的设计图。该设计中主要包括光束准直器件、第一反射光栅、立方隅角、第二反射光栅，以及光束聚焦器件。其中，两个反射光栅皆是体布拉格衍射光栅，也可是同一光栅的不同部位。该可调谐滤光器的工作原理如下：光束准直元件将入射的光束准直，该准直光束被第一反射光栅色散，并反射至立方隅角。由立方隅角组成的反射系统接收色散光束，并将其反射至第二反射光栅。光束经过第二反射光栅重组后，经过光束聚焦元件进入输出端(探测器端)。第一反射光栅、第二反射光栅，和立方隅角布置在一定的位置和角度。光束经过第一反射光栅后，经色散按照不同波长在空间上分开，通过调节改变第一、第二反射光栅的角度，并且使该角度围绕光栅轴两倍化而改变立方隅角，保证只有特定波长的光能够被第二反射光栅重新收集后进入探测端，即实现了滤光波长调谐功能。这种使用布拉格光栅结构的滤光器通过对光栅的调整在实现滤光波长可调谐功能的同时，还具备了效率高，通带大等优点。上述设计虽然能够实现滤光波长的调谐控制，但是调节功能都有限，即基本很难实现同时任意多中心波长，带宽可变的滤光调谐功能。调谐自由度不够高，速度不够快限制了这些可调谐滤光器的应用场景。以上述专利公开号为CN101023388A的专利为例，虽然能够通过调整两个光栅以及反射系统的位置角度来调谐滤光波长，但是不可避免地要在系统中引入相应的调节转动结构，影响系统的稳定性；而且几个关键元件的位置角度需要精心布置，影响系统的易用性。更关键的是，不同的元件位置角度对应着不同的滤光波长，对于一些多荧光波长应用的场景，这种可调谐滤光器的设计就有些不适用。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一，提供了一种基于DMD的调谐滤光装置，其调谐滤光效果佳。

本实用新型的技术方案是：一种基于DMD的调谐滤光装置，包括具有入射光端口和出射光端口的出入光组件，还包括数字微镜器件和用于对光束进行色散准直以使不同波长的光束在不同空间位置相互平行传输的色散准直装置，所述数字微镜器件具有多个可独立控制并用于将设定波长的光原路反射且将设定波长外的光反射至偏离原光路的微反射镜，所述色散准直装置与所述数字微镜器件之间设置有用于将不同波长的光束聚焦于所述微反射镜的聚焦部件。

可选地，所述出入光组件为光纤环形器，所述光纤环形器具有入射光端口、出射光端口和仅能接收来自入射光端口射入光束和仅能将反射光导向所述出射光端口的收发端口。

可选地，所述光纤环形器包括入射光纤、出射光纤和收发光纤，入射光纤的一端为入射光端口，出射光纤的一端为出射光端口，所述入射光纤的另一端和所述出射光纤的另一端连接于所述收发光纤的同一端。

可选地，所述出入光组件与所述色散准直装置之间还设置有用于将入射光束准直且用于将出射光聚焦的准直部件。

可选地，所述准直部件为凸透镜或凹面反射镜。

可选地，所述色散准直装置包括用于接收准直光束照射并反射形成色散光的第一反射光栅和用于接收来自所述第一反射光栅的色散光并反射形成准直色散光的第二反射光栅。

可选地，所述第一反射光栅和所述第二反射光栅平行设置。

可选地，所述聚焦部件为微透镜阵列，所述微透镜阵列包括多个阵列设置的微凸透镜。

可选地，各所述微凸透镜的光轴与从所述第二反射光栅出射的准直色散光的光轴平行。

可选地，所述数字微镜器件具有用于通过编程控制加载于所述微反射镜对应电压而驱动所述微反射镜翻转角度的编程控制模块。

本实用新型所提供的本实用新型实施例提供的基于DMD的调谐滤光装置，作为可编程调谐滤光器，入射光纤端口作为光束入口，光纤准直透镜将入射的光束准直，经过一个平行放置的光栅对(色散准直装置，包括平行的第一反射光栅和第二反射光栅)之后，不同波长成分的光在空间中平行展开，然后垂直照射微透镜阵列(聚焦部件)上，随后聚焦到DMD的靶面上。通过控制DMD靶面上微反射镜的翻转，可以选择特定波长的光按照原光路返回进入出射光纤端口，进入探测器，调谐滤光装置结构相对简洁，各个元件位置固定，而且滤光波长可快速调节，调谐滤光效果佳，而且，系统中的元件几乎没有对荧光的吸收损耗，具备高透过率的优势。同时，利用了DMD的可编程控制特点，可以实现任意波长滤光的调谐功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种基于DMD的调谐滤光装置的平面光路示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种基于DMD的调谐滤光装置中色散准直装置(光栅对)的光路原理示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种基于DMD的调谐滤光装置中利用DMD进行滤光波长选择的原理示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种基于DMD的调谐滤光装置中准直部件为凹面反射镜时的光路示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。

另外，本实用新型实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本实用新型中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

如图1至图3所示，本实用新型实施例提供的一种基于DMD的调谐滤光装置，包括具有入射光端口(入射光纤201)和出射光端口(出射光纤203)的出入光组件，还包括数字微镜器件209(DMD，Digital Micromirror Device)和用于对光束进行色散准直以使不同波长的光束在不同空间位置相互平行传输的色散准直装置(可为光栅对)，数字微镜器件209具有多个可独立控制翻转角度的微反射镜(如图3所示的微反射镜2091和微反射镜2092)，微反射镜用于将设定波长的光原路反射，也可将设定波长外的光反射至偏离原光路。色散准直装置与数字微镜器件209之间设置有用于将不同波长的光束分别聚焦于不同微反射镜的聚焦部件208。上述基于DMD的调谐滤光装置其光路可以参考如下，入射光束从出入光组件的入射光端口射入；入射光束入射至色散准直装置，色散准直装置将入射光束形成不同波长成分空间位置不同的输出光束；输出光束通过聚焦部件208将不同波长成分的输出光束聚焦至数字微镜器件209的微反射镜；对于设定波长的保留光束，对应的微反射镜保持与保留光束的光轴垂直(如图3所示的微反射镜2092)，微反射镜将保留光束反射形成出射光束，出射光束从原光路返回至出入光组件并从出射光端口射出；对于设定波长外的过滤光束，对应的微反射镜翻转将过滤光束反射至偏离原光路(如图3所示的微反射镜2091)，而无法从出射光端口射出，很好地实现了不同波长的滤光。

DMD的靶面是由很多密集排布的微反射镜(微镜)组成的，每个微镜可以通过给DMD加载一定的电压值控制进行一定角度的翻转。例如德州仪器D4100型号的DMD，在0.95英寸大小的靶面上，排布了1920*1080个微镜，每个微镜可以进行±12度的翻转。如图3所示，对于想要滤掉的波长对应的过滤波束，可以控制其对应的微镜翻转，使微镜与过滤波束的光轴不垂直(如图3所示的微反射镜2091)，即可将过滤光束反射到其他方向，过滤波束无法沿原光路返回至出入光组件；而对于想要保留的波长所对应的保留光束，则只需保持微镜不翻转(与保留光束光轴垂直)即可将保留光束从原光路返回至出入光组件。DMD可以编程控制各个微镜的翻转状态，即可以任意选择不同数量、不同波长出射，实现了多波长的滤光功能，适用场景范围广。

具体地，出入光组件为光纤环形器，光纤环形器具有入射光端口、出射光端口和仅能接收来自入射光端口射入光束和仅能将反射光导向出射光端口的收发端口。

本实施例中，光纤环形器包括入射光纤201、202、出射光纤203和收发光纤204，入射光纤201的一端为入射光端口，出射光纤203的一端为出射光端口，入射光纤201的另一端和出射光纤203的另一端连接于收发光纤204的同一端(第一端)，收发光纤204的另一端定义为第二端。光纤环形器其光路结构为：当光从入射光纤201入射时，经过入射光纤201、202只能从收发光纤204的第一端进入并从第二端出射；当光从收发光纤204的第二端入射时，只能从出射光纤203出射。入射光纤201和出射光纤203分别构成了整个滤光器的入射口(入射光端口)和出射口(出射光端口)。

具体地，出入光组件与色散准直装置之间还设置有用于将入射光束准直且用于将出射光聚焦的准直部件205。从入射口(入射光端口)输入的光束进入入射光纤201后，从收发光纤204输出至准直部件205，准直部件205将入射光束准直后形成的准直光束反射或折射至色散准直装置。

具体应用中，如图1所示，作为准直部件205的第一种可实施方案，准直部件205可为凸透镜。

或者，作为准直部件的第二种可实施方案，如图4所示，准直部件可为凹面反射镜502，其中，光纤环形器501包含入射光纤和出射光纤，反射光栅503和反射光栅504为和前述第一反射光栅206、第二反射光栅207相同的一对反射光栅。同样的，微透镜阵列505和DMD506为相同的微透镜阵列和DMD。和前述方案不同之处在于，将准直透镜205替换为凹面镜502，起到的作用一致，即准直入射的光束、聚焦出射的光束。

具体地，色散准直装置包括用于接收准直光束照射并反射形成色散光的第一反射光栅206和用于接收来自第一反射光栅206的色散光并反射形成准直色散光的第二反射光栅207。本实施例中，第一反射光栅206和第二反射光栅207平行设置。来自准直部件205的准直光束照射到第一反射光栅206上，形成传播方向发散的色散光，再通过第二反射光栅207收集准直色散光。准直后的色散光被聚焦部件208的微透镜阵列聚焦到数字微镜器件209(DMD)上。经数字微镜器件209(DMD)的微反射镜反射后，设定波长的保留光束按照原光路返回，即经过聚焦部件208的微透镜阵列、第二反射光栅207、第一反射光栅206后，重新被准直透镜聚焦(此时准直透镜起到了聚焦作用)到收发光纤204中，经过光纤环形器从出射光纤203输出。

本实施例中，聚焦部件208为微透镜阵列，微透镜阵列包括多个阵列设置的微凸透镜，微凸透镜的光轴与从第二反射光栅207出射的准直色散光的光轴平行。

具体地，数字微镜器件209具有用于通过编程控制加载于微反射镜对应电压而驱动微反射镜翻转角度的编程控制模块。

本实用新型实施例提供的基于DMD的调谐滤光装置，作为可编程调谐滤光器，其组成部分包括入射光纤端口、光纤准直透镜、一个光栅对(第一反射光栅206和第二反射光栅207)、一个微透镜阵列，一个DMD，以及出射光纤端口。其中入射光纤端口作为光束入口，光纤准直透镜将入射的光束准直，经过一个平行放置的光栅对之后，不同波长成分的光在空间中平行展开，然后垂直照射微透镜阵列上，随后聚焦到DMD的靶面上。通过控制DMD靶面上镜片的翻转，可以选择特定波长的光按照原光路返回进入出射光纤端口，进入探测器，调谐滤光装置结构相对简洁，各个元件位置固定，而且滤光波长可快速调节。

本实用新型实施例还提供了一种基于DMD的调谐滤光方法，采用上述的基于DMD的调谐滤光装置，包括以下步骤：

入射光束从出入光组件的入射光端口射入；

入射光束入射至色散准直装置，色散准直装置将入射光束形成不同波长成分空间位置不同的输出光束；

输出光束通过聚焦部件208将不同波长成分的输出光束聚焦至数字微镜器件209的微反射镜；

对于设定波长的保留光束，对应的微反射镜保持与保留光束的光轴垂直，微反射镜将保留光束反射形成出射光束，出射光束从原光路返回至出入光组件并从出射光端口射出；

对于设定波长外的过滤光束，对应的微反射镜翻转将过滤光束反射至偏离原光路。

图2显示了第一反射光栅206和第二反射光栅207准直色散光束的原理示意图。其中两个光栅使用的都是反射式光栅且平行放置。经过准直部件205(凸透镜或凹面反射镜)后的准直光束，各个波长成分在空间位置上混在一起。准直光束经过第一反射光栅206后，发生色散，不同波长成分的光束沿不同方向出射。如图2所示，第一反射光栅206将准直光束分解成含有不同波长成分的光束，每种波长的出射角度不同，即不同波长的光从不同角度照射到第二反射光栅207上的不同位置。发散的色散光经过第二反射光栅207收集后，重新成为准直光出射。即实现了不同波长成分的光束空间位置不同，而且各个光束的光轴相互平行。聚焦部件208(微透镜阵列)放置时，每个微透镜的光轴，和从第二反射光栅207出射的准直光光轴保持平行。不同波长的光束由于空间位置不同，会垂直入射到不同的微透镜上，从而被聚焦到DMD靶面的不同位置上的各微反射镜。使用光栅对(第一反射光栅206和第二反射光栅207)对光束进行色散准直，能够容易便利地实现不同波长的光相互平行，并且光轴可垂直入射到反射面上(DMD靶面)的微反射镜，以此能够保证光束经反射后能够从原光路返回。

图3显示了利用DMD进行滤光波长选择过滤的原理示意图，不同波长的光束被微透镜阵列中不同的微透镜聚焦到DMD靶面上的不同位置。DMD的靶面是由很多密集排布的微反射镜(微镜)组成的，每个微反射镜(微镜)可以通过给DMD加载一定的电压值控制进行一定角度的翻转。例如德州仪器D4100型号的DMD，在0.95英寸大小的靶面上，排布了1920*1080个微镜，每个微镜可以进行±12°的翻转。如图3所示，对于想要滤掉的波长1，可以控制其对应的微镜翻转，即可将光束反射到其他方向，无法沿原光路返回至出射光纤203；而对于想要保留的波长2，则只需保持微镜不翻转即可将光束返回至出射光纤203。DMD可以编程控制各个微镜的翻转状态，即可以任意选择不同数量、不同波长出射，实现了多波长的滤光功能。由于微透镜阵列中的每个微透镜、DMD上的每个微镜都有一定的尺寸，因此在这两个器件的选择上，应该尽量保证微透镜聚焦的衍射极限光斑大小和DMD上微镜的尺寸相匹配。

本实用新型实施例所提供的一种基于DMD的调谐滤光装置，利用反射第一反射光栅206和反射第二反射光栅207组成的光栅对，对光束进行色散准直，实现了不同波长的光束在不同空间位置相互平行传输，用微透镜阵列进行聚焦的同时，保证了不同波长成分的光轴与反射面(DMD靶面)的垂直入射，实现了光束经反射后沿原光路返回。

上述基于DMD的调谐滤光装置，使用DMD作为反射面，利用DMD上微镜可编程控制翻转的特点，将不同微镜对应的不同波长的光束可控选择地反射回出射光纤203，或者反射偏离原光路，以此实现滤光波长的可编程调谐功能，且上述基于DMD的调谐滤光装置，结构相对简单，每个元件的位置固定，无需进行机械转动等，保证了系统的稳定性。而且，系统中的元件几乎没有对荧光的吸收损耗，具备高透过率的优势。同时，利用了DMD的可编程控制特点，可以实现任意波长滤光的调谐功能。而且，相比于其他调谐方式，DMD的工作频率可以达到10KHz，甚至是几十KHz，可以提高调谐速率，轻松实现快速稳定的调谐功能。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。