CN108845412B - 紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法，在保持相衬显微镜整体构造不变的前提下，相位板的设计不再使用传统商业相衬显微镜中相位板镀膜的方法，而是使用超表面结构，此结构由金属纳米棒和石英衬底组成，通过精准控制金属纳米棒的旋转角度，实现精准零频滤波的功能，从而实现相衬装置中相位板的设计。克服传统相衬显微镜的相位板设计在制作上工艺繁琐，选择的材料性能复杂，成品容易受潮发霉，需要特定的保护才能延长其使用寿命的问题。设计方法解决传统问题的同时提高了观察物体的精度与灵活性，降低了生产成本。在成像的滤波精度上有所提高，并且可以实现对偏振敏感的物体观察，有望取代传统的相位板滤波方法。

Description

紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法
技术领域
本发明涉及一种光学仪器技术，特别涉及一种紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法。
背景技术
(1)相衬显微镜是近代显微技术的一大重要成就。它的产生，使得人类的视觉在光学显微镜下得到了新的拓展。相衬显微镜将物体相位信息转化为肉眼可见的强度信息，在各领域已得到了广泛的应用。相衬显微镜的核心是相衬法的应用，通过空间零频附近滤波，增大携带物体的像与背景的衬度，从而提高透明物体的可分辨率。
(2)传统商业显微镜例如相位板都是由镀膜等工艺制成，设计上灵活性低，在生产过程中曝光的不均匀性、材料受温度湿度潮解等都会影响其使用质量，造成不可预料的误差，工艺繁琐复杂，成品不易保存，需要特殊的技术支持才能延长其使用寿命，并且对偏振不敏感，无法用于观察偏振依赖型透明物。
(3)随着现代微纳加工技术的成熟，基于微纳结构的光学研究日益增多，对超表面结构的研究也越来越多，此技术的理论也越来越清晰。由单层亚波长等离激元共振器组成的超表面结构可以使对圆偏振光产生局部的相位突变，控制其波前变化(Lingling Huang,Xianzhong Chen,Holger Mühlenbernd,Guixin Li,Benfeng Bai,Qiaofeng Tan,GuofanJin,Thomas Zentgraf,and Shuang Zhang.Dispersionless Phase Discontinuities forControlling Light Propagation.[J]NANOLETTERS,2012,5750-5755)。这些亚波长等离激元共振器主要是一些特定材料的纳米棒，旋转纳米棒角度可以实现对圆偏振光的相位的精准控制，超表面结构不仅可用于调控光的相位，还可以改变光的幅值、偏振态等重要参量，具有一定的带宽范围，可同时对多波长光束进行调控，在设计和应用上也具有很大的灵活性。
发明内容
本发明是针对传统商业显微镜相位板设计上灵活性低、工艺繁琐复杂、使用寿命短、难以实现复杂的相位分布、生产误差大的问题，提出了一种紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法，利用超表面结构对圆偏振光的相位调控规律，设计出周期性的金属纳米棒超表面结构相位板。
本发明的技术方案为：一种紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法，具体包括如下步骤：
1)根据相衬显微镜中焦平面上光斑的大小，即相位板位置上的光斑的大小，来确定相位板的总体圆面积大小；
2)确定相位板滤波范围：最佳的滤波范围如下：
Figure BDA0001778354110000021
其中，H(fx,fy)为空间频谱分布；fx、fy为空间频谱分布坐标，即相位板上的单个结构的中心坐标；j为相对透过的相位进行增加或减少π/2的相位，在3μm以内的透过光相对3μm之外的透过光有一个附加的
Figure BDA0001778354110000022
相位，即相位调制，对零频处进行滤波；
3)偏振敏感型相位板加工参数的确定：整个超表面相位板上阵列排列相同的金属纳米棒结构，每个金属纳米棒结构包括SiO2衬底和金属纳米棒上下两部分，衬底部分为底面是正方形的长方体，金属纳米棒为长方体，金属纳米棒部分根据滤波范围进行设计；
在时域有限差分法软件中，对3μm以内的滤波范围内的单个金属纳米棒结构进行仿真，寻找在相衬显微镜激光光源波长处满足
Figure BDA0001778354110000023
的设计参数，θ是金属纳米棒结构逆时针旋转角度，
Figure BDA0001778354110000024
是指此单个金属纳米棒结构对透过光的相位调制大小，以此来确定金属纳米棒的长、宽、厚度以及衬底的边长和厚度；
设计相位满足以下规律的相位板结构：
Figure BDA0001778354110000025
由上可得到旋转角度变化如下的分布：
Figure BDA0001778354110000031
其中，R是相位板半径，旋转角度逆时针方向为正，顺时针方向为负；
4)偏振不敏感型相位板加工参数的确定：偏振不敏感型相位板为不受光偏振方向影响的相位板，整个超表面相位板上阵列排列相同的金属纳米棒结构，每个金属纳米棒结构包括SiO2衬底和金属纳米棒上下两部分，衬底部分为底面是正方形的长方体，金属纳米棒为圆柱体，金属纳米棒部分根据滤波范围进行设计；使设计相位满足以下规律的超表面相位板结构：
Figure BDA0001778354110000032
3μm以内的金属纳米棒全部为相同半径的圆柱体，3μm以外的金属纳米棒的圆柱体为另一相同半径的圆柱体，两种的圆柱体结构对光的相位调制相差
Figure BDA0001778354110000033
即可。
本发明的有益效果在于：本发明紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法，设计出的相位板对观察物体具有灵活性，生产过程有所简化，容易保存，在成像的滤波精度上有所提高，并且可以实现对偏振敏感的物体观察，有望取代传统的相位板滤波方法。
附图说明
图1为相衬显微镜成像原理图；
图2为本发明实验光路图；
图3为单个长方体型金属纳米棒示意图；
图4为本发明偏振敏感型的超表面结构相位板示意图；
图5为单个柱形金属纳米棒示意图；
图6为本发明中金属纳米棒旋转角度与相位改变值的关系图；
图7为本发明在MATLAB软件中的仿真结果图；
图8为本发明在ZEMAX软件中的仿真结果图。
具体实施方式
如图1所示相衬显微镜成像原理图，点光源S经过透镜L1透镜变为平行光，P1处为位相型样品，当平行光通过位相型样品P1时，由于样品各部分是透明的，透过光的振幅不会发生改变，但携带样品的相位信息；再经过透镜L2，在透镜L2后P2处形成空间频谱分布；在P2处放置一个相位滤波器，使样品的零级的相位增加π/2，使像的强度分布与物的相位分布成线性关系。经过透镜L3的逆傅里叶变换，可以在透镜L3后面P3处观察到样品的像。
为了实现相衬显微镜，搭建如图2所示实验光路图，633nm激光光源1经扩束物镜2准直与扩束后，通过1/2波片3变为水平偏振光，并透过分束棱镜4照射到相位型SLM(空间光调制器)5面上，SLM对光线进行相位调制后返回分束棱镜4，被分束棱镜4反射到1/4波片6上；载有相位信息的线偏振光在1/4波片6的作用下变为圆偏振光，经透镜7后，在焦平面上得到空间频谱分布，在焦平面上放置超表面相位板8对光束进行滤波；滤波后光经透镜9逆傅里叶变换，并通过CCD10接收后可得到与背景对比度高的像面。
超表面相位板参数的设计：
1、根据焦平面上的光斑的大小确定相位板的总体面积大小；
2、确定相位板滤波范围：对于具有一定大小的平行单色光，经过透镜7的傅里叶变换作用，严格意义上，焦平面得到的能量分布不是按照冲激函数变化的光斑，而是服从sinc函数变化的光斑，因此对零频处以最小尺寸滤波并不能得到最好的最终像面效果。通过实验验证，得到了最佳的滤波范围如下：
Figure BDA0001778354110000041
其中，H(fx,fy)为空间频谱分布；fx、fy为空间频谱分布坐标，即之后设置的单个结构的中心坐标；j为相对透过的相位进行增加或减少π/2的相位(在3μm以内的透过光相对之外的有一个附加的增加或减少π/2相位，是一个相对值)。
3、偏振敏感型相位板加工参数的确定：长方体型金属纳米棒的单个结构，如图3所示单个长方体型金属纳米棒示意图，包括SiO2衬底和金属纳米棒(金)上下两部分，衬底部分为底面是正方形的长方体，金属纳米棒则是特定设计的长方体结构。如图4所示发明偏振敏感型的超表面结构相位板示意图，整个超表面相位板上阵列排列的相同的金属纳米棒结构，仅仅在超表面相位板上步骤2确定的滤波范围内的各个金属纳米棒结构进行特殊相位设计，在FDTD(时域有限差分法)Solution软件中，对滤波范围内的单个结构进行仿真，寻找在633nm处满足
Figure BDA0001778354110000052
(θ是金属纳米棒逆时针旋转角度，
Figure BDA0001778354110000053
是指此单个结构对透过光的相位调制大小)的设计参数，确定金属纳米棒的长、宽、厚度以及衬底的边长和厚度。下表1为不同衬底边长的金属纳米棒结构设计参数。
表1
Figure BDA0001778354110000051
表1中的x，y与图3中的x，y相对应，厚度是指单个结构的金属纳米棒的结构，效率是指透光率。衬底的厚度统一设计为0.2mm。以上该5组数据，均可以设计出满足条件的相位板。
由于不同的超表面结构是通过设置不同的单个金属纳米棒结构(包括衬底——一般是SiO2)的周期性分布来实现的，这里是通过改变金属纳米棒的旋转角度，来实现不同的相位调制，这里的相位
Figure BDA0001778354110000054
具体是指结构对透过光的相位调制大小。图4中的金属纳米棒结构参数都是一样的，只是改变了衬底上纳米金属棒的旋转角度。
设计相位满足以下规律的相位板结构：
Figure BDA0001778354110000061
由上可得到旋转角度变化如下的分布：
Figure BDA0001778354110000062
其中，旋转角度逆时针方向为正，顺时针方向为负。根据相位随金属纳米棒旋转角度变化加工成如图4所示的样品。
4、偏振不敏感型相位板加工参数的确定：偏振不依赖型相位板目的是设计不受光偏振方向影响的相位板，因此选择中心对称的圆柱形。柱形金属纳米棒的单个结构，如图5所示，包括SiO2衬底和金属纳米棒上下两部分，衬底部分为底面是正方形的长方体，金属纳米棒则是圆柱。需要通过改变柱形金属棒半径，使设计相位满足以下规律的超表面相位板结构。
Figure BDA0001778354110000063
3μm内柱形金属棒的半径与3μm到25μm之间的结构半径大小不同。实验仿真的过程中，3μm以内的金属纳米棒全部为相同半径的圆柱体，3μm以外的金属纳米棒的圆柱体为另一相同半径的圆柱体，两种的圆柱体结构对光的相位调制相差
Figure BDA0001778354110000064
即可。
图6为金属纳米棒旋转角度与相位改变值的关系图；图7为MATLAB软件中的仿真结果图，用于验证相衬显微镜的功能，其中，图7中(a)为相位信息，图7中(b)为频谱面分布，图7中(c)为加相位板后像面的图像；图8为ZEMAX软件中的仿真结果图，用于确定相位板设计的最佳尺寸和形状，其中，图8中(a)为相位信息，图8中(b)为直接观察的图像，图8中(c)为加相位板后像面的图像。

Claims (1)

1.一种紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)根据相衬显微镜中焦平面上光斑的大小，即相位板位置上的光斑的大小，来确定相位板的总体圆面积大小；
2)确定相位板滤波范围：最佳的滤波范围如下：
Figure FDA0002513000950000011
其中，H(fx,fy)为空间频谱分布；fx、fy为空间频谱分布坐标，即相位板上的单个结构的中心坐标；j为相对透过的相位进行增加或减少π/2的相位，在3μm以内的透过光相对3μm之外的透过光有一个附加的
Figure FDA0002513000950000012
相位，即相位调制，对零频处进行滤波；R是相位板半径；
3)偏振敏感型相位板加工参数的确定：整个超表面相位板上阵列排列相同的金属纳米棒结构，每个金属纳米棒结构包括SiO2衬底和金属纳米棒上下两部分，衬底部分为底面是正方形的长方体，金属纳米棒为长方体，金属纳米棒部分根据滤波范围进行设计；
在时域有限差分法软件中，对3μm以内的滤波范围内的单个金属纳米棒结构进行仿真，寻找在相衬显微镜激光光源波长处满足
Figure FDA0002513000950000015
的设计参数，θ是金属纳米棒结构逆时针旋转角度，
Figure FDA0002513000950000016
是指此单个金属纳米棒结构对透过光的相位调制大小，以此来确定金属纳米棒的长、宽、厚度以及衬底的边长和厚度；
设计相位满足以下规律的相位板结构：
Figure FDA0002513000950000013
由上可得到旋转角度变化如下的分布：
Figure FDA0002513000950000014
其中，R是相位板半径，旋转角度逆时针方向为正，顺时针方向为负；
4)偏振不敏感型相位板加工参数的确定：偏振不敏感型相位板为不受光偏振方向影响的相位板，整个超表面相位板上阵列排列相同的金属纳米棒结构，每个金属纳米棒结构包括SiO2衬底和金属纳米棒上下两部分，衬底部分为底面是正方形的长方体，金属纳米棒为圆柱体，金属纳米棒部分根据滤波范围进行设计；使设计相位满足以下规律的超表面相位板结构：
Figure FDA0002513000950000021
3μm以内的金属纳米棒全部为相同半径的圆柱体，3μm以外的金属纳米棒的圆柱体为另一相同半径的圆柱体，两种的圆柱体结构对光的相位调制相差
Figure FDA0002513000950000022
即可。
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