专利名称:一种俘获及探测复用的扫描光镊系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光学微操纵系统的技术领域：
，特别涉及一种俘获及探测复用的扫描光镊系统。
背景技术：
具有扫描功能的光镊在研究生物大分子方面有着广泛应用，如研究蛋白质折叠结构、DNA拉伸特性和配体-受体相互作用等。在这些应用中，利用光镊的光阱俘获修饰有生物大分子的手柄小球，移动到需要接触的生物大分子或细胞等目标上，然后通过光阱对手柄小球作特定扫描运动，使得生物大分子承受特定的应力，便可以研究生物大分子的结构变化的力学特性。具有扫描功能的光镊，需要能快速追踪光镊系统上光阱俘获颗粒的位置， 因此扫描光镊的设计中，不仅需要实现光镊的扫描功能，还需要实现对扫描的光阱同步快速和高精度的探测。
在光镊系统的探测上，采用四象限探测器(Quadrant Photodiode, QPD)实现对被颗粒高时空分辨率的位置追踪。QPD由四个独立探测靶面组成，当呈现一定光强分布的光束照射到靶面上偏离时，探测器相邻靶面信号的差分结果的前后差异就能代表光束偏离的位移，实现对纳米级位移高精度探测和亚毫秒以下时间间隔的快速探测。
光镊系统一般基于商品化的显微镜组建而成，在传统扫描光镊设计中，采用沿着俘获光束传播方向的前向探测方式，通过QPD探测显微镜聚光镜后焦面上颗粒的散射光斑。颗粒的散射光可以是光阱俘获的光束产生的，也可以是另外用探测光束照射光阱颗粒产生。这两种前向探测基于显微镜集成的扫描光镊，都需要在显微镜聚光镜上方空间搭建前向探测装置，商品化显微镜上方搭建前向探测装置使得整个扫描光镊系统显得复杂。
若利用显微镜自身成像功能，沿俘获光束相反方向探测颗粒的散射信号，即为背向探测，则能简化光镊的设计，使得光路变得简单，降低系统的成本。在背向探测光路中，目前所采用的都是基于显微成像的方式。对于光阱不扫描时，背向探测能实现高时空分辨率探测，因此国际上也有一些光镊的实验装置采用这种探测方式。而在光镊俘获颗粒扫描时， 背向成像探测方式就不能实时跟踪探测颗粒位置。在背向成像探测的光镊中，被俘获颗粒的轴向微小位移将导致颗粒的像在轴向变化很大，颗粒成像大小也会有较大变化。为了满足有限的探测器靶面探测被俘获颗粒的像，需要根据实验不断调节合适光路参数。当颗粒尺寸过大后它的像超过了探测靶面大小，难以实现有效高精度探测。
在扫描光镊的光电探测的设计上，前向探测装置使得系统复杂，但能探测扫描光阱中俘获颗粒的位置；背向探测装置简单，但对颗粒成像的探测方法难以在扫描光镊的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种俘获及探测复用的扫描光镊系统，简化传统扫描光镊的系统，同时保持在不同扫描位置的光镊探测，达到高精度探测的要求。[0008]本发明为了达到上述目的的解决方案为
一种俘获及探测复用的扫描光镊系统，其将激光器发出的俘获激光光束利用透镜组扩束到合适比例成近平行光束传播，经过计算机控制的扫描转镜偏转光束；偏转的光束经过45度半反半透的镜片反射到阱位透镜，由平行传播的光束聚焦在显微镜左侧通道中心共轭点C处；透射的部分激光用挡光板遮挡；将显微镜内部左侧光口所对应的分光棱镜替换为针对激光45度全反射的二色镜；扫描转镜所处位置A与显微镜物镜后焦面B共轭， 光束经过光路中这些透镜后光束光斑大小与物镜后瞳大小一致，进入高数值孔径物镜聚焦，这样就形成了扫描光镊；
探测光束和俘获光束为同一激光束；光阱中颗粒的背向散射光都经过高数值孔径物镜收集，沿俘获光束的光路原路反向传播；具体的为经过物镜收集在B处的散射光斑经过一个透镜和阱位透镜，成像在B处共轭面A’，直接用QPD探测A’光斑便实现对扫描光镊的探测；
其中，在光路中，A和A’都与B为共轭成像关系，A和A’分别在阱位透镜的焦平面；C为无穷远显微镜左侧通光孔的成像共轭点；位置a和位置b分别为物镜成像面上不同散射点；透镜将A’光斑成像在四象限探测器靶面上。
在QPD优化的探测设计中，探测光斑尺寸在靶面大小的一半最合适，而商品化的各种QPD靶面大小与共轭点A’处的光斑大小不一定匹配，通过合适透镜将A’光斑以合适放大倍率成像在QPD靶面上。
本发明的优点和积极效果为
1、本发明光镊在不同角度扫描过程中，扫描光束经过物镜后焦面的光束被截断的情况相同，进入物镜的激光功率一致，光斑对称性在小角度变化时也不会有明显的变化，光束不同角度入射主要影响光镊俘获颗粒的横向位置，因此在扫描过程中光镊的性能保持不变。
2、本发明在光镊扫描过程中，通过物镜后焦面处散射光斑经过一系列透镜共轭成像投影到探测器靶面上，颗粒在光阱中心的散射光斑的位置变化反映了扫描光阱偏离的距离。在光镊扫描过程中，散射光斑中心的变化不会使光斑偏离探测器靶面。
3、本发明在特定角度入射的俘获光束，相对中心光斑偏离的位置反映了颗粒偏离光阱中心的位移。通过相应信号标定后，这样就实现偏离光阱中心位移高精度的探测和扫描光阱中心位移的探测。
4、本发明当光镊俘获颗粒大小不同时，背向探测颗粒成像的方式需要调整探测器位置，而背向探测后焦面光斑的方式无须对探测器位置作调整。在物镜后焦面的共轭面上扫描俘获光束和探测颗粒散射光，即可保持性能稳定的扫描光镊和高精度的探测，简化了光镊装置，降低了成本，并且在背向探测方面解决了针对不同颗粒大小需要重新调整光路参数的问题。
图1俘获及探测复用扫描光镊系统的光路图。
图中，1为激光器；2、3、6和11为透镜；4为扫描转镜；5为四象限探测器；7为45 度半反半透平面镜；8为挡光板；9为阱位透镜；10为针对激光45度全反射的二色镜；12为高数值孔径物镜；13为载物台；14为样品池；15为聚光镜；16为显微镜照明光源；17为视频监控相机。A和A’代表与物镜后焦面处的共轭面，B为物镜后焦面，C处为显微镜成像的共轭面。
图2物镜收集焦平面不同位置的背向散射光原理图。
图中，F为物镜物方焦点；F’为物镜像方焦点讽和H2为物镜等效的主平面；D为物镜后焦面处光阑；a和b分别为物镜成像面上不同散射点；a’和b’分别对应物镜收集由 a和b的散射光线。
图3俘获及探测复用光路的各共轭面关系图。
图中，5为四象限探测器，6和11为透镜；9为阱位透镜。L1到L4分别为光路中各光学器件的相隔光程。A和A’为与B处的共轭面，C处位显微镜成像的共轭面。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式
对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求
书中的全部内容。
本发明的扫描光镊俘获及探测复用光路设计是基于商品化无穷远显微镜系统，俘获光束和探测光束为同一激光束，原理图见图1。在本发明的光镊系统中，俘获光路设计参数需要满足以下条件(1)光束扫描位置与物镜后焦面共轭；(2)扫描光束光斑大小、扫描精度、阱位透镜焦距和光束的扩束比依赖光束扫描范围的设计要求；(3)进入物镜的俘获光束光斑尺寸与物镜后焦面对光束限制的光学孔径大小一致；(4)控制光阱的阱位透镜与显微镜的结像透镜共焦点。对于探测光路设计参数需要满足以下条件(1)投影在QPD靶面上的散射光斑约为靶面尺寸的一半；( 投影在QPD靶面的光斑与物镜后焦面共轭。在整个光镊系统整合上，除了机械尺寸能保障所有光学元件都能插入外，尽可能将俘获光路和探测光路共用光学元件，减少整个系统的光学元件。
将激光器1发出的俘获激光光束利用透镜组2和3扩束到合适比例成近平行光束传播，经过计算机控制的扫描转镜4偏转光束。偏转的光束经过45度半反半透的平面镜7 反射到阱位透镜9，由平行传播的光束聚焦在显微镜左侧通道中心共轭点C处。透射的部分激光用挡光板8遮挡。将显微镜内部左侧光口所对应的分光棱镜替换为针对激光45度全反射的二色镜10。扫描转镜4所处位置A与显微镜物镜后焦面B共轭，光束经过光路中这些透镜后光束光斑大小与物镜后瞳大小一致，进入高数值孔径物镜12聚焦，这样就形成了扫描光镊。
探测光束和俘获光束为同一激光束。光阱中颗粒的背向散射光都经过高数值孔径物镜收集，沿俘获光束的光路原路反向传播。由于焦距极短的高数值孔径物镜是一个复杂的光学系统，可以用主平面表示成像系统，见图2, 和H2表示物镜系统的两个主平面，F和 F’表示物镜的前后焦点。当颗粒在位置a和位置b处于光阱中心散射时，通过物镜系统收集的散射光在主平面上光斑对称性是一致的。一般光镊在显微镜成像面上扫描距离在微米级，因此后焦面F’处(B点处)的散射光束光斑中心也只平移微米级距离。在共轭面上的光斑中心偏移量也对应于微米级，而QPD靶面尺寸在毫米级，因此这种微米级偏离量与探测器允许偏离毫米级光斑比较而言可以忽略。这样就能实现光镊扫描时，探测光斑仍然在探测器靶面上。[0028]采用QPD探测散射光斑的各个光学元件相应位置见图3。经过物镜收集在B处的散射光斑经过透镜11和9，成像在B处共轭面A’，直接用QPD探测A’光斑便实现对扫描光镊的探测。在QPD优化的探测设计中，探测光斑尺寸在靶面大小的一半最合适，而商品化的各种QPD靶面大小与共轭点A’处的光斑大小不一定匹配，通过合适透镜将A’光斑以合适放大倍率成像在QPD靶面上。
高精度位移探测的实质是反映光阱中颗粒相对光阱中心位移偏离量。光镊的俘获光束通过高数值孔径物镜聚焦后，在光阱位置处光斑为亚微米级，这种光束照射在微米 /亚微米级颗粒上，一旦颗粒偏离光阱中心，纳米级的偏离量都会导致被物镜收集的散射光斑对称性发生改变。当QPD探测这一光斑时，四个靶面上探测光强不一样，通过差分计算便将这种细微变化进行了放大探测。在扫描光镊中，只要俘获光束扫描时散射光斑仍然在探测器的线性区间时，就能实现高精度探测，因此合理设计探测物镜主平面或者后焦面光斑， 能有效的实现扫描光镊的高精度探测。由于物镜的主平面随着倍数和数值孔径等参数变化，而显微镜系统齐焦设计导致物镜焦面在同一地方，因此探测物镜后焦面光斑更为方便。 虽然光斑中心有细微偏移，但这种变化不会影响探测精度，而只反映前后光束扫描位置的变化。通过合适的标定，光斑中心的偏移还可以作为扫描光镊扫描位移的测量量。
对于俘获光路和探测光路中的具体透镜位置可用图3所示的等效光路表示。在设计具体光学参数时，假定探测器靶面、激光器准直出光的光斑和物镜后瞳孔径的一维尺寸分别为S”s2和S3 ；俘获激光束经过透镜2和3的扩束比为M1 ；透镜6、9和11的焦距分别为 f/、f2和f3 ；物镜放大倍率为M。w ；扫描器件角度扫描范围和分辨率分别为θ ^和Δ θ。若系统设计时需要在显微镜视察内一维扫描范围为、，阱位透镜焦距&和扫描精度位移AS 两足
/4=冷，⑴
AS = S4A θ /Q00 (2)
由无穷远系统可知阱位透镜9和透镜11在C处共焦点，L3 = f2+f3。显微镜成像共轭面C为显微镜左侧通道中固定位置，透镜11是固定在显微镜内部的透镜，不同厂商所选择透镜的焦距不一样。透镜9和11构成的扩束镜放大倍率为M2 = f3/f2，则激光器准直出光扩束比M1 = S3/ (S2M2)。由于光束扫描角度都很小，因此A点到透镜9的距离La满足:
Z4 =/4+(/5-Z4VM22。⑶
在选配器件如激光器、扫描转镜和显微镜系统上作光镊设计，参数θ ρ Δ θ、M。bj、 &、33、4和1^4为固定值，、为设计的要求，则1^的光程便可公式(3)所确定。
在探测光路中，Α’和A点到透镜9的光程一致。物镜后焦面光斑&对应在共轭面的光斑大小为S’ &/M2。E
透镜成像将A’处光斑像放大或缩小到QPD靶面S1的一半，则
(4)
r r r M2S1
A =/3+/3^^
L2= f4 + 2LlSs
M2S1
(5)
因此选定将A点的光斑投影到QPD靶面的透镜f3，则透镜到QPD靶面和阱位透镜的的光程也就确定了。[0040]在扫描光镊俘获不同大小颗粒实验中，由于背向探测的是物镜后焦面光斑大小， 因此实验中无须调整QPD靶面和放大倍率来适应颗粒成像大小的变化。通过在物镜后焦面上扫描俘获光束和探测颗粒散射光斑，就实现了性能稳定的扫描光镊和高精度的探测。
在本发明中，我们以Olympus 1X7显微镜系统为例，选配IOOX油浸物镜(NA 1. 4) 聚焦激光光束形成光阱，激光器出光口的光斑为4mm的近平行的激光(香港Anionics AFL-1064-40-R-CL)，扫描转镜选配PI公司的压电倾斜平台S330. 2SL，四象限探测器靶面为滨松公司S1557，光镊的光阱扫描范围设定为1. 8 μ m。根据所选配器件和设计要求，则有 θ 0 = 2mrad, Δ θ = 0. 05 μ rad, Mobj = 100，f3 = 180mm, S1 = lmm, S2 = 4mm, S3 = 6mm, S4 =1. 8 μ m，L4 = 180mm。根据公式(1)到(5)可得，f2 = 90mm, AS = O. 045nm, L3 = 270mm, M2 = 2,M1 = 0. 75, La = 90mm，S，= 3mm。选择 = 50mm，则 L1 = 58. 3mm, L2 = 440mm。根据M1可以选择器件2的焦距为100mm，器件3的焦距为75mm。
依据以上参数，扫描光镊理论上扫描定位精度能达到0. 045nm，但实际探测的精度依赖具体溶液环境和生物大分子承受应力的条件。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
权利要求
1.一种俘获及探测复用的扫描光镊系统，其特征在于该系统将激光器(1)发出的俘获激光光束通过透镜组O和；3)扩束到合适比例成近平行光束传播，经过计算机控制的扫描转镜(4)偏转光束；偏转的光束经过45度半反半透的镜片(7)反射到阱位透镜(9)，由平行传播的光束聚焦在显微镜左侧通道中心共轭点C处；透射的部分激光用挡光板(8)遮挡；将显微镜内部左侧光口所对应的分光棱镜替换为针对激光45度全反射的二色镜(10)； 扫描转镜所处位置A与显微镜物镜后焦面B共轭，光束经过光路中这些透镜后光束光斑大小与物镜后瞳大小一致，进入高数值孔径物镜(1 聚焦，这样就形成了扫描光镊；探测光束和俘获光束为同一激光束；光阱中颗粒的背向散射光都经过高数值孔径物镜 (12)收集，沿俘获光束的光路原路反向传播；具体的为经过物镜收集在B处的散射光斑经过一个透镜(11)和阱位透镜(9)，成像在B处共轭面A’，直接用QPD探测A’光斑便实现对扫描光镊的探测；其中，在光路中，A和A’都与B为共轭成像关系，A和A’分别在阱位透镜(9)的焦平面；C为无穷远显微镜左侧通光孔的成像共轭点；位置a和位置b分别为物镜成像面上不同散射点；透镜(6)将A’光斑成像在四象限探测器靶面(5)上。
2.根据权利要求
1所述的一种俘获及探测复用的扫描光镊系统，其特征在于在QPD 优化的探测设计中，探测光斑尺寸在靶面大小的一半最合适，而商品化的各种QPD靶面大小与共轭点A’处的光斑大小不一定匹配，通过合适透镜将A’光斑以合适放大倍率成像在 QPD靶面上。
专利摘要
本发明提供一种俘获及探测复用的扫描光镊系统，该系统在物镜后焦面共轭面扫描俘获光束形成扫描光镊；在物镜后焦面收集被俘获小球散射光斑，将物镜后焦面的光斑以共轭成像方式投影到四象限探测器上；俘获光路与探测光路通过半反半透平面镜复用光路；当颗粒偏离光阱中心时改变光斑的对称性，实现对颗粒位移的高精度探测；光镊扫描时颗粒在物镜后焦面光斑的共轭像中心位置的仍在探测器靶面上，从而实现对光束扫描光镊的位移探测。本发明简化传统扫描光镊的系统设计，同时保持在不同扫描位置的光镊探测，达到高精度探测的要求。
文档编号G21K1/00GKCN102540447SQ201210037312
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月17日
发明者周丹丹, 周金华, 李银妹, 王自强, 钟敏成 申请人:中国科学技术大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan