CN113031243B - 一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于波导片的反射式片上数字全息显微装置，包括一块刻有两个衍射光栅的波导片、载玻片以及图像传感器，其中波导片的偶入光栅区是耦入光栅，波导片的偶出光栅区是耦出光栅。该反射式片上数字全息显微装置，基于波导照明原理，利用衍射光栅实现反射式的片上显微成像。光源照明波导片的偶入光栅区，耦入波导片的部分衍射光在基片内发生全反射，在波导片的偶出光栅区将光线导出，照明放置在波导片的样品上方，经过样品反射的光记录在图像传感器上，达到反射式片上显微成像的目的。

Description

一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置
技术领域
本发明属于片上显微成像的技术领域，具体涉及一种反射式的片上数字全息显微镜，特别的是一种基于波导照明原理的衍射波导。
背景技术
片上显微成像由于其无透镜的实验装置，具有小型化、轻量化以及成像光路简单的优势。常规的无透镜片上显微镜大多在明场透射模式下工作。以加州大学洛杉矶分校Aydogan Ozcan团队的实验装置为例，在透射模式下，样品被放置在样品上方5-10 cm处部分相应的光源照射，样品的全息投影被紧靠样品放置的图像传感器芯片捕获，图像传感器在样品下方距离<2 mm。经过样品散射的光与未被散射的光发生干涉，形成样品的同轴全息图，进而记录在图像传感器上。在片上显微成像装置中，将样品与图像传感器贴近放置是为了保证成像***的视场和分辨率。然而，由于样品与图像传感器之间的距离太小，实现反射模式下的片上显微成像很困难。
发明内容
本发明旨在提供具有偶入光栅区和偶出光栅区的波导片，使光线能经过偶入光栅区耦合至波导，在光波导内反射自偶出光栅区偶出，本发明解决的另一问题是通过在偶出光栅区上载玻片，并将照明放置在波导片上方的载玻片的上方，图像传感器放置在载玻片及波导片的正下方，波导片偶出的光线经过载玻片内的样品反射形成物光记录在图像传感器上，照明光照作为参考光照射到图像传感器上，达到反射式片上显微成像，形成样品的同轴全息图。
本发明的技术方案是：一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置，包括波导片、载玻片、图像传感器、照明光源，其中，所述波导片的上界面设有偶入光栅区和偶出光栅区，所述载玻片放置在偶出光栅区的上界面，所述图像传感器布置在波导片偶出光栅区的正下方，与载玻片的下界面距离不大于2mm，所述照明光源设置在波导片上方50~100m的位置处，使照明光源发出的光线入射到偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧和偶入光栅区中线上时，与偶入光栅区的法线分别形成入射夹角
Figure 229023DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 867157DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 803889DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 39699DEST_PATH_IMAGE002
、入射光线的波长
Figure 614162DEST_PATH_IMAGE003
及偶入光栅区的周期d 1、偶出光栅区周期d 2、波导片的折射率
Figure 847697DEST_PATH_IMAGE004
满足以下关系：
所述照明光源以入射夹角
Figure 802883DEST_PATH_IMAGE001
射入至偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧时形成的一级衍射角
Figure 780067DEST_PATH_IMAGE005
不小于波导片下界面的全反射角
Figure 707571DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 675790DEST_PATH_IMAGE007
，使从照明光源经偶入光栅区耦合入波导片的所有光线沿波导片向偶出光栅区传播；
Figure 321535DEST_PATH_IMAGE008
，使照明光源以入射夹角
Figure 836830DEST_PATH_IMAGE002
射入至偶入光栅区的中线并经波导片反射至偶出光栅区的中线，并垂直于波导片的上界面射出到载玻片上，所述偶入光栅区和偶出光栅区的中线垂直于偶入光栅区和偶出光栅区的中心连线。
本发明的有益效果为：
1.照明光源以入射夹角
Figure 681158DEST_PATH_IMAGE001
射入至偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧时形成的一级衍射角θ 1不小于波导片下界面的全反射角
Figure 757960DEST_PATH_IMAGE006
时，使从照明光源经偶入光栅区耦合入波导片的所有光线沿波导片向偶出光栅区传播，从照明光源入射到偶入光栅区上的所有光线的一级衍射角都会大于波导片下界面的全反射角；
2. 照明光源以入射夹角
Figure 891002DEST_PATH_IMAGE002
射入至偶入光栅区的中线并经波导片反射至偶出光栅区的中线时，其衍射方程为：
Figure 6725DEST_PATH_IMAGE009
，如要衍射光从偶出光栅区上界面垂直出射，其衍射方程为：
Figure 174401DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 218843DEST_PATH_IMAGE011
，则有：
Figure 573601DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 696278DEST_PATH_IMAGE013
。
3. 该衍射光从偶出光栅区GO上界面垂直出射，照射载玻片中的样品后，全反射到波导片上的光线与波导片上界面法线的夹角为0，即小于波导片下界面的全反射角
Figure 452881DEST_PATH_IMAGE006
，因此可透过波导片照射到图像传感器上。
附图说明
图1为本发明的一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置的结构图；
图2为本发明的波导传光原理图；
图3为本发明的波导传光参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1，一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置，包括波导片1、载玻片2、图像传感器3、照明光源4，其中，波导片1的上界面设有偶入光栅区GI和偶出光栅区GO，载玻片2放置在偶出光栅区GO的上界面，图像传感器3布置在波导片1偶出光栅区GO的正下方，与载玻片2的下界面距离不大于2mm，照明光源4设置在波导片1上方50~100m的位置处，如图2，照目光源4照射波导片1的偶入光栅GI区，耦入波导片1的部分衍射光在波导片1内发生全反射，在波导片1的偶出光栅区GO将光线导出，照射放置在波导片1上方的载玻片2中的样品，经过样品反射的光记录在图像传感器3上，同时照明光照作为参考光照射到图像传感器3上，达到反射式片上显微成像，形成样品的同轴全息图的目的。
如图3，使照明光源发出的光线入射到偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧（A点）和偶入光栅区中线（C点）上时，与偶入光栅区的法线分别形成入射夹角
Figure 166759DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 775857DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 498963DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 110073DEST_PATH_IMAGE002
、入射光线的波长
Figure 463693DEST_PATH_IMAGE003
及偶入光栅区的周期d 1、偶出光栅区周期d 2、波导片的折射率
Figure 825667DEST_PATH_IMAGE014
满足以下关系：
根据波导传光原理，照明光源4照射波导片1的偶入光栅区GI，经光栅衍射后，其一级衍射光的衍射角如满足波导片1下界面材料的全反射条件，将沿着波导片传播，此时波导片1上下界面相当于两个镜面，对其一级衍射光进行多次反射成像。当光传播到偶出光栅区GO处时，被偶出光栅区GO衍射导出。
如图3，从照明光源4发出的光入射到偶入光栅区GI最左侧A点的光线经衍射后，其在波导片1上界面内的一级衍射角θ 1如果大于下界面的全反射角，则会沿着波导片向右边传播，此时从照明光源4入射到偶入光栅区GI上的所有光线的一级衍射角都会大于下界面的全反射角。
下界面全反射角为
Figure 352463DEST_PATH_IMAGE015
；
满足
Figure 818080DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 139340DEST_PATH_IMAGE017
（1）
设偶入光栅区GI的周期为d 1，其衍射方程为：
Figure 660713DEST_PATH_IMAGE018
（2）
得到：
Figure 460042DEST_PATH_IMAGE019
（3）
入射到偶入光栅区GI中心C点的光线衍射方程为：
Figure 45744DEST_PATH_IMAGE020
（4）
Figure 803484DEST_PATH_IMAGE021
为光源以入射夹角
Figure 331594DEST_PATH_IMAGE002
射入至偶入光栅区中线（C点）时形成的一级衍射角
Figure 934613DEST_PATH_IMAGE022
。
Figure 843663DEST_PATH_IMAGE023
（5）
Figure 241147DEST_PATH_IMAGE024
（6）
Figure 32385DEST_PATH_IMAGE025
（7）
设偶出光栅区GO的周期为d 2，该光线传播到偶出光栅区GO的中心F点，以α1角度入射，其衍射方程为：
Figure 674981DEST_PATH_IMAGE026
（8）
如要衍射光从偶出光栅区GO表面垂直出射，则令衍射角
Figure 235276DEST_PATH_IMAGE027
，则有：
Figure 803660DEST_PATH_IMAGE028
（9）
将式（5）和式（2）代入上式，得：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
（10）
该衍射光从偶出光栅区GO上界面垂直出射，照射载玻片中的样品后，全反射到波导片上的光线与波导片上界面法线的夹角为0，即小于波导片1下界面的全反射角
Figure 114818DEST_PATH_IMAGE015
，因此可透过波导片1照射到图像传感器上。波导片偶出的光线经过载玻片内的样品反射形成物光记录在图像传感器上，照明光照作为参考光照射到图像传感器上，达到反射式片上显微成像，形成样品的同轴全息图。

Claims (1)

1.一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置，包括波导片、载玻片、图像传感器、照明光源，其特征在于，所述波导片的上界面设有偶入光栅区和偶出光栅区，所述载玻片放置在偶出光栅区的上界面，所述图像传感器布置在波导片偶出光栅区的正下方，与载玻片的下界面距离不大于2mm，所述照明光源设置在波导片上方50~100m的位置处，使照明光源发出的光线入射到偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧和偶入光栅区中线上时，与偶入光栅区的法线分别形成入射夹角
Figure 680105DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 761194DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 236038DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 591933DEST_PATH_IMAGE002
、入射光线的波长
Figure 325578DEST_PATH_IMAGE003
及偶入光栅区的周期d 1、偶出光栅区周期d 2、波导片的折射率
Figure 780830DEST_PATH_IMAGE004
满足以下关系：
所述照明光源以入射夹角
Figure 742970DEST_PATH_IMAGE001
射入至偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧时形成的一级衍射角
Figure 371397DEST_PATH_IMAGE005
不小于波导片下界面的全反射角
Figure 962DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 925318DEST_PATH_IMAGE007
，使从照明光源经偶入光栅区耦合入波导片的所有光线沿波导片向偶出光栅区传播；
Figure 374754DEST_PATH_IMAGE008
，使照明光源以入射夹角
Figure 10134DEST_PATH_IMAGE002
射入至偶入光栅区的中线并经波导片反射至偶出光栅区的中线，并垂直于波导片的上界面射出到载玻片上，所述偶入光栅区和偶出光栅区的中线垂直于偶入光栅区和偶出光栅区的中心连线。
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