基于双螺旋点扩散函数超构透镜三维显微成像系统及方法

本发明涉及一种三维显微成像系统及方法，属于光学显微成像与光学操控。

背景技术：

1、点扩散函数描述了成像系统对于点源或者点对象的响应，三维点扩散函数将深度信息编码在探测图像的不同形貌特征中，利用已知的点扩散函数信息还原二维像平面上每个横向位置所对应的轴向信息。目前现有的三维点扩散函数调制方法主要是对光瞳函数的振幅透过率与相位透过率进行设计，在系统的出瞳平面处引入对应的振幅、相位调制，便可以实现对系统点扩散函数的调节。光场的调控通常由传统的光场调控元件来实现，包括振幅/相位掩膜版、空间光调制器、变形镜以及数字微镜器件等等，其中最常用的是空间光调制器，其相位结构的量化等级分布以及调控单元的结构特征决定了零级衍射光斑的存在，零级衍射光斑往往占据了很大一部分的能量，并且经常与调制后的有效图像混叠，使得显示的图像变得昏暗、模糊，严重降低成像质量。此外，空间光调制器体积较大，使得三维成像光学系统无法集成。

2、为了解决空间光调制器成像质量差、不利于集成且成本较高的问题，引入了超构表面的思想，超构表面的亚波长结构能够与入射的电磁场相互作用，从而在表面引入光学参量的突变，实现自然界材料所不具备的超常特性，利用超构表面高度集成化的特性，将透镜相位集成在双螺旋点扩散函数的调制中，改善了传统基于空间光调制器的三维成像光学系统存在零级高级衍射且难以集成的问题，使元件体积大幅缩小，同时利用偏振复用的原理，实现不同偏振态状入射光下同轴不同焦的多周期衔接成像，在精度保持不变的同时实现轴向探测深度的扩展。此外，可兼容半导体加工工艺的超构表面在大规模生产时，成本远远低于由控制器、液晶面板和通信模块等部分组成的空间光调制器，导致整个系统成本大幅下降，增加其实用性。

技术实现思路

1、本发明为解决空间光调制器成像质量差、不利于集成且成本较高的问题，进而提出一种基于双螺旋点扩散函数超构透镜三维显微成像系统及方法。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述基于双螺旋点扩散函数超构透镜三维显微成像方法的步骤包括：

3、s100、通过仿真手段设计并加工具有多偏振态双螺旋点扩散函数特性的超构透镜；

4、s200、搭建以超构透镜为核心进行多偏振态双螺旋点扩散函数调制的光学系统，通过超构透镜对待测分子成像，改变入射光不同偏振态，获得多个双螺旋图像；

5、s300、通过偏振态和两光斑间距双重依据，判断光斑处于哪一重复用，根据双螺旋光斑中点确定待测分子横向位置，根据两光斑中心连线的夹角结合该数值孔径下标定结果，获得轴向位置。

6、进一步的，所述超构透镜根据双螺旋点扩散函数相位和透镜相位分布，通过几何相位和传播相位排布方法，周期性排布基本单元结构形成完整的超构透镜。

7、进一步的，所述基于双螺旋扩散函数超构透镜三维显微成像系统包括照明模块、样品载物台和成像模块；所述照明模块设置在样品载物台的一侧，所述成像模块设置在样品载物台的另一侧；所述照明模块包括led光源、准直透镜、第一偏振片和会聚透镜，led光源、准直透镜、第一偏振片和会聚透镜由左至右依次设置；所述成像模块包括超构透镜、显微物镜、第二偏振片、管镜和cmos相机；超构透镜、显微物镜、第二偏振片、管镜和cmos相机由左至右依次设置。

8、本发明所述基于双螺旋点扩散函数超构透镜三维显微成像系统包括照明模块、样品载物台和成像模块；所述照明模块设置在样品载物台的一侧，所述成像模块设置在样品载物台的另一侧；所述照明模块包括led光源、准直透镜、第一偏振片和会聚透镜，led光源、准直透镜、第一偏振片和会聚透镜由左至右依次设置；所述成像模块包括超构透镜、显微物镜、第二偏振片、管镜和cmos相机；超构透镜、显微物镜、第二偏振片、管镜和cmos相机由左至右依次设置。

9、进一步的，基于上述成像系统的三维显微成像方法的步骤包括：

10、步骤1、沿光束传播方向布置的led光源发出相干性较差的发散光束，经过准直透镜形成平行光，准直光经过第一偏振片产生相应偏振光，经由会聚透镜会聚于待检样品，样品搭载在样品载物台上；

11、步骤2、透过样品的光，经过超构透镜，实现多偏振态双螺旋点扩散函数调制，调制后的像经过第二偏振片检偏，通过显微物镜和管镜组成的显微系统进行二次成像，被cmos相机收集；

12、步骤3、对采集的双螺旋点扩散函数调制图像进行解算，通过偏振态和两光斑间距双重依据，判断光斑处于哪一重复用，根据双螺旋光斑中点确定待测分子横向位置，根据两光斑中心连线的夹角结合该数值孔径下标定结果，获得轴向位置。

13、本发明所述基于双螺旋点扩散函数超构透镜三维显微成像系统包括led光源、准直透镜、第一偏振片、会聚透镜、半反半透镜、第一显微物镜、样品载物台、第一管镜、超构透镜、第二显微物镜、第二偏振片、第二管镜和cmos相机；

14、led光源、准直透镜、第一偏振片和会聚透镜由左至右依次设置在半反半透镜的一侧，样品载物台和第一显微物镜由上至下依次设置在半反半透镜的上方，第一管镜、超构透镜、第二显微物镜、第二偏振片、第二管镜和cmos相机由上至下依次设置在半反半透镜的下方。

15、基于上述成像系统的三维显微成像方法的步骤包括：

16、步骤1、沿光束传播方向布置的led光源发出相干性较差的发散光束，经过准直透镜形成平行光，准直光经过第一偏振片产生相应偏振光，经由会聚透镜会聚在第一显微物镜后焦平面上，第一显微物镜具有和样品载物台上样品待分辨的细节尺寸匹配的数值孔径，能够将半反半透镜处理的光束均匀投射在待检样品上；

17、步骤2、第一显微物镜将经过所述待测样品反射的光收集，透过半反半透镜后由第一管镜聚焦，聚焦光经过超构透镜实现多偏振态双螺旋点扩散函数调制，调制后的像经过第二偏振片检偏，通过第二显微物镜和第二管镜组成的显微系统进行二次成像，被cmos相机收集；

18、步骤3、对采集的双螺旋点扩散函数调制图像进行解算，通过偏振态和两光斑间距双重依据，判断光斑处于哪一重复用，根据双螺旋光斑中点确定待测分子横向位置，根据两光斑中心连线的夹角结合该数值孔径下标定结果，获得轴向位置。

19、进一步的，超构透镜的不同偏振态下焦距f1,f2,f3与物距a和像距b之间的关系满足高斯公式

20、本发明的有益效果是：本发明基于多偏振态双螺旋点扩散函数超构透镜的三维显微成像方法和系统，具有易于集成、无零级衍射光斑、成像范围广的优点。结合超构表面的集成特性，将透镜相位与双螺旋点扩散函数相位叠加，进一步提高了集成度，采用传播相位设计了偏振复用的多偏振态双螺旋超构透镜，实现不同偏振态状入射光下同轴不同焦的多周期衔接成像，极大提高系统的成像范围，进而能够替代传统的点扩散函数中与空间光调制器与4f系统结合的设置，同时克服了空间光调制器存在零级衍射光斑影响成像质量、体积较大不易集成的缺点。通过多偏振态双螺旋点扩散函数超构透镜的应用，能够将样本的三维信息编码在双螺旋光斑两个主瓣的旋转角度上，通过对采集到的二维强度信息进行解算，在获得成像平面二维形貌分布的同时也可以获得三维的深度信息。