基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像方法及装置

本发明涉及一种显微成像方法及装置，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，同时利用超构表面对光场任意调控的特性，使不同波长的双螺旋光斑聚集在不同轴向位置实现多周期衔接，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，进而提出一种基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像方法及装置。

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

3、s100、通过fdtd仿真手段设计并加工色散双螺旋点扩散函数超构透镜；

4、s200、搭建以超构透镜为核心进行色散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，在不同入射波长下，获得双螺旋图像

5、s300、通过双螺旋图像中双螺旋光斑的中点确定待测分子的横向位置，两光斑中心连线的夹角确定待测分子的轴向位置。

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，通过几何相位的排布方法，周期性排布基本单元结构形成完整的超构透镜。

7、本发明所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像系统包括白光光源、滤波片、准直透镜、偏振片、四分之一波片、会聚透镜、样品载物台、超构透镜、显微物镜、右旋圆偏振片、管镜和cmos相机；

8、白光光源、滤波片、准直透镜、偏振片、四分之一波片和会聚透镜由左至右依次设置在样品载物台的一侧，超构透镜、显微物镜、右旋圆偏振片、管镜和cmos相机由左至右依次设置在样品载物台的右侧。

9、本发明所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜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白光光源发出非相干性光，通过滤波片产生所需各个波长光束，经过准直透镜形成平行光，准直光经过偏振片和四分之一波片，通过调节四分之一波片产生左旋圆偏振光入射，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，实现色散双螺旋点扩散函数调制，调制后的像经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，通过双螺旋图像中双螺旋光斑的中点确定待测分子的横向位置，两光斑中心连线的夹角确定待测分子的轴向位置。

13、本发明所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像系统包括白光光源、滤波片、准直透镜、偏振片、四分之一波片、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、右旋圆偏振片、第二管镜和cmos相机；

14、白光光源、滤波片、准直透镜、偏振片、四分之一波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、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、右旋圆偏振片、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、本发明所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜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白光光源发出非相干性光，通过滤波片产生所需各个波长光束，经过准直透镜形成平行光，准直光经过偏振片和四分之一波片，通过调节四分之一波片产生左旋圆偏振光入射，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色散双螺旋点扩散函数调制，调制后的像经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，通过双螺旋图像中双螺旋光斑的中点确定待测分子的横向位置，两光斑中心连线的夹角确定待测分子的轴向位置。

19、本发明的有益效果是：本发明基于色散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、成像深度广的优点。结合超构表面的集成特性，将具有色散调制的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，色散的存在改变不同入射波长轴向焦点位置，实现多周期衔接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。通过色散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。

技术特征：

1.基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像方法，其特征在于：所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像方法的步骤包括：

2.根据权利要求1所述的基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像方法，其特征在于：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，通过几何相位的排布方法，周期性排布基本单元结构形成完整的超构透镜。

3.基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像系统，其特征在于：所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像系统包括白光光源(1)、滤波片(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、四分之一波片(5)、会聚透镜(6)、样品载物台(7)、超构透镜(8)、显微物镜(9)、右旋圆偏振片(10)、管镜(11)和cmos相机(12)；

4.一种利用权利要求3所述显微成像系统的显微成像方法，其特征在于：所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像方法的步骤包括：

5.基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像系统，其特征在于：所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像系统包括白光光源(1)、滤波片(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、四分之一波片(5)、会聚透镜(6)、半反半透镜(7)、第一显微物镜(8)、样品载物台(9)、第一管镜(10)、超构透镜(11)、第二显微物镜(12)、右旋圆偏振片(13)、第二管镜(14)和cmos相机(15)；

6.一种权利要求5所述显微成像系统的显微成像方法，其特征在于：所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像方法的步骤包括：

技术总结
基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像方法及装置，它涉及一种显微成像方法及装置。本发明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。本发明所述基于色散双螺旋点扩散函数超构透镜显微成像系统包括白光光源、滤波片、准直透镜、偏振片、四分之一波片、会聚透镜、样品载物台、超构透镜、显微物镜、右旋圆偏振片、管镜和CMOS相机；白光光源、滤波片、准直透镜、偏振片、四分之一波片和会聚透镜由左至右依次设置在样品载物台的一侧，超构透镜、显微物镜、右旋圆偏振片、管镜和CMOS相机由左至右依次设置在样品载物台的右侧。本发明属于光学显微成像与光学操控技术领域。

技术研发人员：丁旭旻,郝慧捷,张天舒,王新伟,刘俭
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10