基于偏振光相位調(diào)制的結(jié)構(gòu)光生成裝置與方法與流程

本發(fā)明涉及激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于偏振光相位調(diào)制的結(jié)構(gòu)光生成裝置與方法。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)光照明是應(yīng)用在顯微成像領(lǐng)域的一種常見的激光照明方法，結(jié)構(gòu)光照明顯微法(SIM)是美國Janelia Farm的Mats Gustafsson博士主要研發(fā)的，這一技術(shù)利用特定的結(jié)構(gòu)光去照射待觀測樣本。其中結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生是借由照明光路中插入一個空間光調(diào)制器(光柵或數(shù)字微鏡陣列)，使照明光受光柵調(diào)制后經(jīng)物鏡投影在待測樣品上，在樣品的焦平面受到調(diào)制光的照射，在離焦平面也不受影響，調(diào)制光所產(chǎn)生的熒光信息通過成像系統(tǒng)被CCD接收。在結(jié)構(gòu)光照明顯微成像中，不同相位和方向的結(jié)構(gòu)光依次照明樣本，這些結(jié)構(gòu)光在和樣本不同角度混頻所產(chǎn)生的莫爾條紋被CCD依次采集并解碼，也就是提取高頻分量，最終通過重建形成超高分辨率的SIM圖像。

目前的結(jié)構(gòu)光顯微成像方法只能對樣品表面進行顯微成像，不能夠?qū)裆锝M織一定深度處進行有效地顯微成像。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于偏振光相位調(diào)制的結(jié)構(gòu)光生成裝置與方法，應(yīng)用在顯微成像領(lǐng)域可有效解決背景技術(shù)中存在的問題，大大提高生物組織大深度顯微成像的信噪比。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一、一種基于偏振光相位調(diào)制的結(jié)構(gòu)光生成裝置：

沿光線的傳輸軌跡，包括激光器和布置在激光器前方沿發(fā)出光束依次布置的半波片、電光相位調(diào)制器、擴束鏡、沿水平方向并排拼接的兩個偏振分光鏡(PBS)、偏振片和聚焦鏡；激光器發(fā)出線偏振光的光束入射到半波片上，經(jīng)過半波片偏振方向旋轉(zhuǎn)角度，再入射到電光相位調(diào)制器(EOM)中被分解成水平方向和豎直方向的兩個偏振分量，兩個偏振分量被電光相位調(diào)制器調(diào)制產(chǎn)生相位差，接著包含各自偏振分量的兩路光束一起經(jīng)擴束鏡擴束后入射到左偏振分光鏡和右偏振分光鏡拼接后形成的端面中間讓調(diào)制后的光束透過，然后兩路光束入射到偏振片上僅透過沿其光軸方向的分量形成一路光束，最終聚焦在聚焦鏡的焦點處發(fā)生干涉。

所述的激光器發(fā)出的線偏振光的振動方向為水平方向。

所述的半波片垂直于激光器發(fā)出的光束，半波片的光軸與水平方向呈22.5°夾角。

所述的電光相位調(diào)制器的光軸沿豎直方向，且垂直于激光器發(fā)出的光束。

所述的兩個偏振分光鏡(PBS)分別為左偏振分光鏡和右偏振分光鏡，左偏振分光鏡和右偏振分光鏡緊貼并排，光束入射到左偏振分光鏡和右偏振分光鏡中間，左偏振分光鏡和右偏振分光鏡之間的中間線將光束分成兩個等大的半圓，左偏振分光鏡的分光面與水平面成45°且與光束方向呈45°角，右偏振分光鏡的分光面與水平面垂直且與光束方向呈45°角。

所述的偏振片垂直于激光器發(fā)出的光束，偏振片的透光軸與水平方向呈45°夾角。

二、一種基于偏振光相位調(diào)制的結(jié)構(gòu)光生成方法：

(1)激光器發(fā)出線偏振光的光束入射到半波片上，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)半波片使得半波片的光軸與水平方向呈22.5°夾角，光束經(jīng)半波片后偏振方向旋轉(zhuǎn)為與水平方向呈45°夾角；

(2)接著，光束入射到電光相位調(diào)制器(EOM)中，光束在電光相位調(diào)制器的晶體中被分解為振幅比1:1的水平方向和豎直方向的兩個偏振分量；

(3)用信號發(fā)生器給電光相位調(diào)制器輸入EOM方波信號，使得沿電光相位調(diào)制器光軸方向的偏振分量(Ey)被相位調(diào)制而垂直于電光相位調(diào)制器光軸方向的偏振分量(Ex)不被相位調(diào)制，一個偏振分量相對另一個偏振分量產(chǎn)生隨時間周期變化的相位延遲；

(4)然后，光束經(jīng)擴束鏡擴束后入射到左偏振分光鏡和右偏振分光鏡的端面上，光束分別在兩個偏振分光鏡中傳輸；

沿電光相位調(diào)制器光軸方向的偏振分量(Ey)的光束通過左偏振分光鏡，垂直于電光相位調(diào)制器光軸方向的偏振分量(Ey)的光束通過右偏振分光鏡；

(5)最后，光束入射到偏振片上，光束包含的兩束光經(jīng)過后分別只通過沿偏振片光軸方向的分量，且分量振幅大小相等，通過的兩束光的分量經(jīng)聚焦鏡在其焦點發(fā)生干涉，生成結(jié)構(gòu)光。

當(dāng)經(jīng)電光相位調(diào)制器調(diào)制后的兩束光之間相位差為0時，在焦點處發(fā)生相長干涉，在聚焦鏡焦點體積區(qū)域內(nèi)的光強為最大光強；當(dāng)經(jīng)電光相位調(diào)制器調(diào)制后的兩束光之間相位差為π時，在焦點處發(fā)生相消干涉，焦點處光強最小，最大光強在焦點體積兩側(cè)。

相位差周期變化，最大光強的位置會在聚焦鏡的焦點平面沿水平方向(x軸)來回移動。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光借由電光相位調(diào)制器對偏振光進行調(diào)制，又由兩個按照特殊方位拼接的偏振分光鏡進行空間上的分光，經(jīng)聚焦鏡聚焦后在焦點區(qū)形成兩束光的干涉圖樣，且干涉圖樣隨時間變化，引起焦點區(qū)光強分布的周期性變化，而且焦點體積內(nèi)的光強包含了直流分量和交流分量(即高頻分量)。

本發(fā)明的有益效果是解決了厚樣品組織一定深度處的結(jié)構(gòu)光有效生成地技術(shù)空白，將其應(yīng)用到熒光顯微成像上，能獲得更好的熒光信號信噪比和更強的組織內(nèi)部大深度成像能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明對偏振光相位調(diào)制并分光的原理圖；

圖3是兩個PBS的拼接方位和激光束照在PBS上的位置；

圖4是兩個PBS中P光和S光反射和透射情形；

圖5是焦點區(qū)光強分布，隨調(diào)制光與未調(diào)制光相位差變化而不同。

圖中：激光器1，半波片2，電光相位調(diào)制器3，擴束鏡4，左偏振分光鏡5，右偏振分光鏡6，偏振片7，聚焦鏡8。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行詳細(xì)描述。

本發(fā)明系統(tǒng)包括激光器1和布置在激光器1前方沿發(fā)出光束依次布置的半波片2、電光相位調(diào)制器3、擴束鏡4、沿水平方向并排拼接的兩個偏振分光鏡(PBS)、偏振片7和聚焦鏡8。

激光器1發(fā)出線偏振光的光束入射到半波片2上，經(jīng)過半波片2偏振方向旋轉(zhuǎn)角度，再入射到電光相位調(diào)制器3(EOM)中被分解成水平方向和豎直方向的兩個偏振分量，兩個偏振分量被電光相位調(diào)制器3調(diào)制產(chǎn)生相位差，接著包含各自偏振分量的兩路光束一起經(jīng)擴束鏡4擴束后入射到左偏振分光鏡5和右偏振分光鏡6拼接后形成的端面中間讓調(diào)制后的光束透過，然后兩路光束入射到偏振片7上僅透過沿其光軸方向的分量形成一路光束，最終聚焦在聚焦鏡8的焦點處發(fā)生干涉。

本發(fā)明的實施例及其具體過程如下：

(1)可用632.8nm的氦氖激光器作為光源，激光器發(fā)出線偏振光的光束入射到半波片上，出射的線偏振光振動方向為水平方向，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)半波片使得半波片的光軸與水平方向呈22.5°夾角，光束經(jīng)半波片后偏振方向旋轉(zhuǎn)為與水平方向呈45°夾角，記此時光束為P；

(2)接著，光束P入射到電光相位調(diào)制器(EOM)中，電光相位調(diào)制器(EOM)的光軸沿豎直方向且垂直于激光器1發(fā)出的光束，光束在電光相位調(diào)制器的晶體中被分解為振幅比1:1的水平方向和豎直方向的兩個偏振分量，兩個偏振分量分別為Ex分量和Ey分量，如圖2所示；

(3)根據(jù)電光相位調(diào)制器的原理，用信號發(fā)生器給電光相位調(diào)制器輸入EOM方波信號，EOM具有很快的時間響應(yīng)和最高10MHz的調(diào)制頻率。沿電光相位調(diào)制器光軸方向的偏振分量(Ey)被相位調(diào)制而垂直于電光相位調(diào)制器光軸方向的偏振分量(Ex)不被相位調(diào)制，一個偏振分量相對另一個偏振分量產(chǎn)生隨時間周期變化的相位延遲，從電光相位調(diào)制器輸出的光束記為M；

(4)然后，光束M經(jīng)擴束鏡4擴束后入射到左偏振分光鏡5和右偏振分光鏡6的端面上，光束M分別在兩個偏振分光鏡中傳輸，左偏振分光鏡5的分光面與水平面成45°且與光束方向呈45°角，右偏振分光鏡6的分光面與水平面垂直且與光束方向呈45°角。

如圖3所示，光束照在兩個偏振分光鏡上的部分面積相同，各為半圓形狀。因此，左偏振分光鏡5只允許豎直方向的偏振光分量通過而右偏振分光鏡6只允許水平方向偏振光分量通過，從而將調(diào)制光和未調(diào)制光從空間上分開，沿電光相位調(diào)制器光軸方向的偏振分量(Ey)的光束通過左偏振分光鏡5，垂直于電光相位調(diào)制器光軸方向的偏振分量(Ey)的光束通過右偏振分光鏡6，通過的兩路光束記為S。

(5)最后，光束S入射到偏振片7上，如圖4所示，偏振片7垂直于激光器1發(fā)出的光束，偏振片7的透光軸與水平方向呈45°夾角，光束S包含的兩束光經(jīng)過后分別只通過沿偏振片7光軸方向的分量，且分量振幅大小相等，通過的兩束光的分量經(jīng)聚焦鏡在其焦點發(fā)生干涉，生成結(jié)構(gòu)光，如圖5所示。

當(dāng)經(jīng)電光相位調(diào)制器調(diào)制后的兩束光之間相位差為0時，在焦點處發(fā)生相長干涉，在聚焦鏡焦點體積區(qū)域內(nèi)的光強為最大光強；

當(dāng)經(jīng)電光相位調(diào)制器調(diào)制后的兩束光之間相位差為π時，在焦點處發(fā)生相消干涉，焦點處光強最小，最大光強在焦點體積兩側(cè)。

本發(fā)明焦點調(diào)制的原理如下：

未調(diào)制光和調(diào)制光在焦點處的點擴散函數(shù)分別記為h₁和h₂e^iδωt，δωt為兩束光的相位差，在焦點區(qū)的光強I為：

I＝|h₁+h₂e^iδωt|²

＝(h₁+h₂e^iδωt)(h₁+h₂e^iδωt)^*

＝(h₁+h₂e^iδωt)[h₁^*+(h₂e^iδωt)^*]

＝h₁h₁^*+h₁(h₂e^iδωt)^*+h₁^*h₂e^iδωt+h₂e^iδωt(h₂e^iδωt)^*

＝|h₁|²+|h₂|²+2Re(h₁^*h₂e^iδωt)

＝|h₁|²+|h₂|²+2Re(h₁^*h₂)Re(e^iδωt)-2Im(h₁^*h₂)Im(e^iδωt)

＝|h₁|²+|h₂|²+2Re(h₁^*h₂)cos(δωt)-2Im(h₁^*h₂)sin(δωt)

其中，*代表共軛，Re是復(fù)數(shù)實部，Im是復(fù)數(shù)虛部。

由公式可得出，焦點區(qū)的光強度包含直流分量和交流分量，根據(jù)這一特性，可以將本發(fā)明結(jié)構(gòu)光生成方法可應(yīng)用到熒光顯微鏡上，由本發(fā)明這種結(jié)構(gòu)光激發(fā)出的樣品熒光同樣具有直流和交流兩種分量，當(dāng)以調(diào)制頻率解調(diào)出交流熒光信號時，可有效抑制背景噪聲，從而提高對組織內(nèi)部成像時獲取熒光信號的能力，對生物組織大深度熒光顯微成像領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。