基于矢量光场调控感光细胞运动的装置

本发明涉及微生物控制领域，特别是涉及一种基于矢量光场调控感光细胞运动的装置。

背景技术：

1、矢量光场指在空间域有特定偏振态分布的光学电磁场。通常情况下，矢量光场的传播方向称为z轴，其在x-y平面内不同区域具有不同的偏振态。定义φ(x,y,t)为t时刻在平面内(x,y)点处的偏振方向，任意单值函数的φ(x,y,t)即可表示矢量光场。已有技术可通过空间光调制器与四分之一波片的组合可以产生任意矢量光场。

2、感光细胞是自然界常见类型的细胞，涵盖大量能进行光合作用的生物，特别是能够在水体中自由运动的微生物，比如藻类生物等。这些微生物能够感知光的各种特征，例如光强大小，光照方向，光的波长以及光的偏振状态等等。目前已有的微生物控制技术局限于精确控制单个微生物，或者对群体微生物实现简单的控制，难以整体上对一定范围内的所有微生物的运动实现精确控制。

3、传统的商业显微镜技术比较成熟，但是存在价格昂贵，视野范围较小等缺点，若想观察微米尺度的微生物在厘米尺度的运动，传统显微镜系统难以长时间观察。

4、cn113625459b的缺点是矢量光场的空间分布图样由涡旋半波片决定，只能生成旋转对称的矢量光场，本发明不仅可以生成此类光场，还可以任意定制矢量光场的空间分布图样，尤其是局部不连续变化的矢量光场。

5、cn110849818a采用了液晶相位延迟器，因而该装置中光场为均一的线偏振光，不能实现偏振方向的空间变化，其次该发明采用单相机仅能观察一个尺度的成像，本发明不仅可以生成任意空间分布的矢量光场，并且双光路可以在5x和0.5x这两个放大倍数下同时观察。

技术实现思路

1、基于此，针对以上问题，本发明结合空间光调制器生成任意矢量光场的技术，通过矢量光场在厘米尺度的范围内调控感光细胞的运动，并以远心镜头和微距镜头形成一套分光光路同时观察整体和局部的调控效果。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于矢量光场调控感光细胞运动的装置，所述装置包括依次排列的准直光源，线偏振片，第一四分之一波片，反射式空间光调制器，第二四分之一波片，扩束器，载物台，分光元件。从分光元件直射的第一束光经过远心镜头进入第一相机，并连接计算机。从分光元件反射的第二束光经过微距镜头进入第二相机，并连接计算机。

4、在计算机上可以同时观察第一相机和第二相机实时显示的图像。

5、感光细胞制备的薄片样品放置于样品台上。

6、所述空间光调制器的芯片为长方形，以其长边为x轴，短边为y轴，所述线偏振片的偏振方向与x轴平行，所述准直光源出射光束经过线偏振片形成偏振方向平行于x轴的线偏振光。

7、所述第一四分之一波片快轴方向与x轴夹角为45度，线偏振光经过第一四分之一波片形成圆偏振光。

8、所述空间光调制器的芯片具有1920x1200的分辨率，在每个点上具备调制照射到该点的电磁波相位的能力。圆偏振光经过空间光调制器的芯片反射后，每个点反射的圆偏振光的相位会发生变化，变化值由空间光调制器的输入信号控制。

9、所述第二四分之一波片快轴方向与x轴夹角为135度，从空间光调制器反射的圆偏振光经过第二四分之一波片后形成线偏振光，其中每个点的偏振方向由之前的相位变化值决定，空间各处偏振方向不同的偏振光形成矢量光场，再经过扩束器进一步放大，形成大小约为20x20mm的矢量光场。

10、光场作用在薄片样品上，放置于其中的感光细胞的运动受到光偏振方向的调控。

11、光场经过样品后形成的光束经过分光元件分成两束光，第一束光为直射光，经过0.5x远心镜头成像到第一相机的靶面，可以观察到全部矢量光场作用下样品中感光细胞运动的情况；第二束光为反射光，经过5x微距镜头成像到第二相机的靶面，可以观察到矢量光场作用下样品局部感光细胞运动的情况。

12、所述第一四分之一波片琼斯矩阵为式中i为虚数单位

13、所述第二四分之一波片琼斯矩阵为

14、所述反射式空间光调制器琼斯矩阵为式中φ表示空间光调制器的信息输入，在1920x1200分辨率的空间光调制器中，可将每个像素点设置为不同的φ值。

15、所述矢量光场的琼斯矩阵为

16、

17、矢量光场的琼斯矩阵等价于旋转角度为φ/2的旋转矩阵，因此通过在每个像素点将摄入的线偏振光转动不同的φ/2角度，可得任意矢量光场。

18、所述薄片样品为两片盖玻片制成，中间放置感光细胞及其培养液，周围用双面胶粘住并隔开两片盖玻片。

19、所述远心镜头放大倍率为0.5x，可将20x20mm的视野缩小到10x10mm的范围，方便在相机中拍摄观察感光细胞整体运动情况。

20、所述微距镜头放大倍率为5x，可将样品中范围为2x2mm的视野放大到10x10mm的范围，方便在相机中拍摄观察感光细胞局部运动情况。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明可以任意设置时空间变化的矢量光场，并在光场作用下从两个尺度下观察样本，例如在加入了示踪小球的微生物样品中，既可以在大尺度观察微生物的运动，又可以在小尺度观察示踪小球的运动从而观测流场。

技术特征：

1.一种基于矢量光场调控感光细胞运动的装置，其特征在于，包括沿准直光源(10)传输方向依次设置的、线偏振片(11)，第一四分之一波片(12)，空间光调制器(13)、第二四分之一波片(14)、扩束器(15)、反射镜(16)、供薄片玻璃样品(22)放置的载物台(21)和分光元件(17)；经所述分光元件(17)分为反射光和透射光，所述透射光经远心镜头(30)进入第一相机，并连接计算机，所述反射光经过微距镜头(40)进入第二相机，并连接计算机。

2.根据权利要求1所述的基于矢量光场调控感光细胞运动的装置，其特征在于，所述空间光调制器(13)的芯片为长方形，设长边为x轴，短边为y轴，所述线偏振片的偏振方向与x轴平行，所述准直光源出射光束经过线偏振片形成偏振方向平行于x轴的线偏振光。

3.根据权利要求1或2所述的基于矢量光场调控感光细胞运动的装置，其特征在于，所述空间光调制器的芯片具有1920x1200的分辨率，在每个点上具备调制照射到该点的电磁波相位的能力，圆偏振光经过空间光调制器的芯片反射后，每个点反射的圆偏振光的相位会发生变化，变化值由空间光调制器的输入信号控制。

4.根据权利要求1或2所述的基于矢量光场调控感光细胞运动的装置，其特征在于，所述第一四分之一波片快轴方向与x轴夹角为45度，线偏振光经过第一四分之一波片形成圆偏振光。

5.根据权利要求1或2所述的基于矢量光场调控感光细胞运动的装置，其特征在于，所述第二四分之一波片快轴方向与x轴夹角为135度，从空间光调制器反射的圆偏振光经过第二四分之一波片后形成线偏振光，其中每个点的偏振方向由之前的相位变化值决定，空间各处偏振方向不同的偏振光形成矢量光场，再经过扩束器进一步放大，形成大小约为20x20mm的矢量光场。

6.根据权利要求1或2所述的基于矢量光场调控感光细胞运动的装置，其特征在于，所述式空间光调制器琼斯矩阵为式中φ表示空间光调制器的信息输入；所述矢量光场的琼斯矩阵为

技术总结
本发明公开了一种基于矢量光场调控感光细胞运动的装置，包括准直光源，线偏振片，第一四分之一波片，反射式空间光调制器，第二四分之一波片，扩束器，载物台，分光元件，从分光元件直射的第一束光经过远心镜头进入第一相机，并连接计算机，从分光元件反射的第二束光经过微距镜头进入第二相机，并连接计算机。空间光调制器，可实现任意x‑y平面内任意偏振方向分布的矢量光场，通过该矢量光场作用于薄片样品模块内的样品，可根据输入信号分别调制样品内所有感光细胞个体的运动方向，实现感光细胞的聚集以及定向运动等功能。

技术研发人员：杨思远,张何朋,许建琴
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14