一种基于空间光调制器的动态光镊系统及其控制方法与流程

1.本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于空间光调制器的动态光镊系统及其控制方法。


背景技术：

2.光镊是一种通过聚焦激光束产生力来束缚或者移动微小物体的装置，其中作用于物体的受力区域被称为光阱，相应的技术通常被称为光阱捕捉，该技术广泛应用于细胞、病毒颗粒等微型生物的捕捉与移动，并把它们按照所需要的方式进行排布。光镊技术凭借其对于细胞、甚至更小目标精确地、直接地作用，在生物、医疗等领域的应用已越来越广泛。
3.然而，传统的激光光镊技术是以单光束梯度光阱的方式实现，即用一束高度汇聚的激光形成的三维势阱来俘获、操纵控制微小粒子，且在对捕获到的目标进行转移时，往往是采用保持光学系统静止的相对运动来实现，例如使得样品平台进行相对运动，该方法虽然简单易行，但是效率较低，无法快速实现多目标的有序排布，无法实现对所有微小颗粒都能实现完美的操控。近年来，虽然动态光镊技术得到了快速发展,但仍然存在场强度偏弱、难以实现动态操控及快速排布等缺点，无法满足当前生物医学等领域对于光镊捕获及移动的高精度控制需求。


技术实现要素：

4.为了解决现有光镊技术中只能针对少数目标进行捕获，且在对捕获到的目标进行转移时，通过移动样品平台来实现搬移，无法实现光镊对于微小颗粒的高精度操控等问题，本发明的目的是提供一种基于空间光调制器的动态光镊系统及其控制方法；通过将光源发出的光束通过照明系统进行准直后，照射到数字微镜器件(dmd)表面，通过计算机plc控制dmd的驱动控制板，通过dmd表面的微镜阵列的翻转将形成光镊所需要的光斑图形加载到dmd表面，从照明系统中出射的光束经过dmd表面反射后得到所需要的光图形，该光图形经过投影物镜后，在平台上的样品表面形成光阱，即得到所需要的光镊。
5.本发明通过如下技术方案实现：
6.一种基于空间光调制器的动态光镊系统，包括光源1、照明系统2、数字微镜器件3、驱动控制板4、透镜物镜5、样品平台7及plc8；所述plc8与驱动控制板4连接，所述驱动控制板4与数字微镜器件3连接；所述光源1发射的光束通过照明系统2进行准直形成平行光束，平行光束照射到数字微镜器件3的表面，驱动控制板4驱动数字微镜器件3上的微镜进行矩阵式翻转形成光镊所需要的光斑图形，反射后经过透镜物镜5在位于样品平台7的样品6表面形成光阱；通过控制微镜上光斑图形的变化移动以及样品平台与透镜物镜的相对运动，实现对颗粒的捕获与搬移。
7.进一步地，所述光源1为激光光源或led光源。
8.进一步地，所述照明系统2的数值孔径取决于光源出射光束的发散角，准直后的光束具有匀光效果。
9.进一步地，所述数字微镜器件3的表面设有1920行
×
1080列的微镜，其中，每一个微镜为10.8微米
×
10.8微米的正方形。
10.另一方面，本发明还提供了一种基于空间光调制器的动态光镊系统的控制方法，具体包括如下步骤：
11.首先，光源1发射的光束通过照明系统2进行准直形成平行光束，平行光束照射到数字微镜器件3的表面；
12.然后，plc将预先设计好的光斑图形信息传输给驱动控制板4，由驱动控制板4驱动数字微镜器件3上的微镜进行矩阵式翻转形成光镊所需要的光斑图形，反射后的光斑图形经过透镜物镜5后在位于样品平台7的样品6表面形成光阱；通过控制微镜上光斑图形的变化移动以及样品平台与透镜物镜的相对运动，实现对颗粒的捕获与搬移。
13.进一步地，通过连续向数字微镜器件3载入不同位置的光斑图形，使得形成光斑的微镜阵列部分重叠来实现光镊的高精度移动控制。
14.进一步地，所述数字微镜器件3中的微镜通过正负12度的翻转来实现所需要的光斑图形。
15.与现有技术相比，本发明的优点如下：
16.本发明的一种基于空间光调制器的动态光镊系统及其控制方法，当光镊捕捉到目标物体后，通过向dmd加载不同的图形，进而实现亚光斑尺寸的光镊位移，从而实现光镊对目标颗粒捕获及移动的高精度控制。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
18.图1为本发明的一种基于空间光调制器的动态光镊系统的系统框图；
19.图2的a为dmd表面微镜矩阵式(4行
×
4列)翻转，连续向dmd载入不同位置的光斑图形的工作原理图；
20.图2的b为对应在样品表面光镊光斑的位置变化图；
21.图3的a为通过向dmd中载入多光斑图形的效果原理图；
22.图3的b为对应在样品表面多光镊光斑的效果图；
23.图中：光源1、照明系统2、数字微镜器件(dmd)3、驱动控制板4、透镜物镜5、样品6、样品平台7、plc8。
具体实施方式
24.为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
27.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
28.实施例1
29.如图1所示，为本实施例的一种基于空间光调制器的动态光镊系统的示意图，所示系统包括光源1、照明系统2、数字微镜器件3、驱动控制板4、透镜物镜5、样品平台7及plc8；所述plc8与驱动控制板4连接，所述驱动控制板4与数字微镜器件3连接；所述光源1发射的光束通过照明系统2进行准直形成平行光束，平行光束照射到数字微镜器件3的表面，驱动控制板4驱动数字微镜器件3上的微镜进行矩阵式翻转形成光镊所需要的光斑图形，反射后经过透镜物镜5在位于样品平台7的样品6表面形成光阱；通过控制微镜上光斑图形的变化移动以及样品平台与透镜物镜的相对运动，实现对颗粒的捕获与搬移。
30.在本实施例中，所述光源1为激光光源或led光源。
31.在本实施例中，所述照明系统2的数值孔径取决于光源出射光束的发散角，准直后的光束具有匀光效果。
32.在本实施例中，所述数字微镜器件3的表面设有1920行
×
1080列的微镜，其中，每一个微镜为10.8微米
×
10.8微米的正方形。
33.实施例2
34.本实施例提供了一种基于空间光调制器的动态光镊系统的控制方法，具体包括如下步骤：
35.首先，光源1发射的光束通过照明系统2进行准直形成平行光束，平行光束照射到数字微镜器件3的表面；
36.然后，plc将预先设计好的光斑图形信息传输给驱动控制板4，由驱动控制板4驱动数字微镜器件3上的微镜进行矩阵式翻转形成光镊所需要的光斑图形，反射后的光斑图形经过透镜物镜5后在位于样品平台7的样品6表面形成光阱；通过控制微镜上光斑图形的变化移动以及样品平台与透镜物镜的相对运动，实现对颗粒的捕获与搬移。
37.可过连续向数字微镜器件3载入不同位置的光斑图形，使得形成光斑的微镜阵列部分重叠来实现光镊的高精度移动控制。
38.所述数字微镜器件3中的微镜通过正负12度的翻转来实现所需要的光斑图形。
39.从图2的(a)中可以看出，dmd表面上以4行
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4列的微镜阵列作为一个光斑图形，在
dmd表面光斑图形以小于该图形尺寸(4行
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4列)的步幅进行位移的变化，通过该变化可以发现，光斑图形的移动步幅紧密，每次仅一行一列的微镜发生翻转；
40.从图2的(b)中可以看出，对应于dmd表面光斑图形的变化，投影到样品表面光斑的位移变化情况，随着dmd表面光斑图形的形状变化，投影到样品表面的光斑在样品表面发生相对位移，其每次移动的距离小于投影光斑的尺寸，可以保证光镊系统的动态捕获能力。
41.图3的(a)为dmd表面上的微镜，有8个微镜矩阵(4行
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4列)翻转，形成了8个光斑图形(尺寸为4行
×
4列)；
42.图3的(b)为对应于dmd表面8个光斑图形，投影到样品表面而形成的8个光斑。
43.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
44.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
45.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。