一种聚焦可调的多焦点并行显微成像装置的制作方法

本发明涉及光学显微成像领域，具体涉及一种聚焦可调的多焦点并行显微成像装置。

背景技术：

随着信息科技的飞速发展，光学显微镜的应用已经延伸到各个领域,目前，实现对样品的三维扫描，已经成为光学显微成像领域的一个重要研究热点。现有的三维扫描显微系统，多采用多次轴向定位来实现三维成像。舒攀等人发表的题为《差动共焦显微成像高稳定三维扫描技术与系统》的文章中，通过对样品水平二维方向逐点扫描及轴向方向逐层扫描，实现样品的三维重构及成像。扫描之前需根据样品的轴向位置确定轴向扫描的上限和下限，通过调整获取轴向需扫描的层数。扫描过程中，轴向每层都对水平二维方向的点进行平面扫描成像，扫完后通过轴向扫描系统驱动物镜向下移动一层，再进行平面扫描，如此循环，实现整个限定范围的三维扫描。然而该技术需要多次改变物镜的位置来得到新的焦点，且单个焦点独自完成扫描，耗时久，具有扫描速度慢、光漂白现象较严重等缺点。

技术实现要素：

本发明针对现有三维扫描装置存在的扫描速度慢、光漂白现象较严重等问题，提出了一种聚焦可调的多焦点并行显微成像装置。该装置具有结构简单、易搭建、轴向焦点可调、多焦点并行扫描等功能特点。通过双层微球结构，可以实现多焦点并行成像，利用控制电机调整双层微球结构间的夹角来改变焦距，多焦点并行工作，完成样品轴向的扫描，提高在样品厚度方向的扫描速度。

一种聚焦可调的多焦点并行显微成像装置，包括：激光器、反射镜、半波片、上物镜、电机、双层微球结构、样品台、下物镜、探测器。

所述激光器发射的光束照射到反射镜上，反射镜将光束反射到半波片上，产生的线偏振光经过上物镜后，照射在双层微球结构上，在双层微球结构下方形成多个焦点，多个焦点在轴向并行工作，并激发样品台上的样品产生荧光，荧光被下物镜收集进入到探测器；结合样品台在水平位置的移动，完成各焦点所在轴向位置的水平层扫描。

所述双层微球结构包括上玻片和下玻片。

所述上玻片下表面、下玻片上表面分别有利用聚焦离子束刻蚀的环状排列的第一层微球和第二层微球，第一层微球结构与第二层微球结构完全一致。

所述上玻片与电机相连，通过控制电机可使上玻片绕轴转动，改变双层微球结构间的夹角。

所述多个焦点的焦点数目由第一层微球结构和第二层微球结构中微球的数量、尺寸和材料决定，焦点的具体计算过程可由商用软件fdtd-solutions计算。

所述线偏振光经过双层微球结构，产生的多个焦点的焦距分别为x1、x2...xn，相邻焦点的间距分别为l1、l2...ln-1，控制电机使上玻片绕轴转动，调整第一层微球和第二层微球之间的夹角，改变多焦点的焦距为x1^’、x2^’...xn^’，完成各焦点所在轴向位置的水平层扫描；其中，每个焦点的焦距改变量小于调整夹角前一次对应的焦点间距，即x1^’-x1小于l1，x2^’-x2小于l2...xn-1^’-xn-1小于ln-1；继续逐渐增大第一层微球和第二层微球之间的夹角，改变焦距直至完成样品厚度范围内的扫描。

作为优选，所述激光器选用的激光波长为632纳米。

作为优选，所述微球的材质为sio2，微球介质折射率为1.5。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明光路简单，搭建方便，成本低廉，且效果明显。

2、本发明利用双层微球结构，可在样品轴向产生多个焦点，且多焦点并行扫描，节约轴向扫描时间。

3、本发明通过控制电机使上玻片绕轴转动，调整双层微球结构间的夹角，可改变多焦点在轴向的焦距，实现聚焦可调。

因此，本发明能提高三维扫描中对样品厚度方向的扫描速度，减弱光漂白，并降低成本。

附图说明

图1为本发明一种聚焦可调的多焦点并行显微成像装置的结构原理示意图；

其中：1、激光器；2、反射镜；3、半波片；4、上物镜；5、电机；6、双层微球结构；7、样品台；8、下物镜；9、探测器。

图2为图1中双层微球结构的放大图；

其中：10、上玻片；11、下玻片；12、第一层微球；13、第二层微球。

图3为具体实施方式中，双层微球结构中每层微球数目为4时，下玻片沿着a-a方向的剖视图。

图4为具体实施方式中，双层微球结构之间的夹角与焦点的个数、焦距之间的关系。

图5为具体实施方式中，聚焦可调的多焦点并行扫描工作示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图来详细说明本发明，但本发明并不限于此。

如图1所示的是本发明一种聚焦可调的多焦点并行显微成像装置示意图，包括：激光器1、反射镜2、半波片3、上物镜4、电机5、双层微球结构6、样品台7、下物镜8、探测器9。

其中，激光器选用百思佳特公司的xt71580型氦氖激光器，工作波长为632纳米。

激光器1发射光束照射到反射镜2上，被反射镜2反射到半波片3上，产生的线偏振光经过上物镜4后，照射在双层微球结构6上，在双层微球结构6下方形成3个焦点，3个焦点在轴向并行工作，并激发样品台7上的样品产生荧光，荧光被下物镜8收集进入到探测器9，结合样品台7在水平位置的移动，完成3个焦点所在轴向位置的水平层扫描。双层微球结构6包括上玻片10和下玻片11，如图2所示，上玻片10下表面、下玻片11上表面分别有利用聚焦离子束刻蚀的环状排列的第一层微球12、第二层微球13，第一层微球12和第二层微球13结构完全一致。上玻片10与一个能控制玻片转动的电机5相连，通过控制电机5使得上玻片10绕轴转动，调整第一层微球12与第二层微球13之间夹角的大小，双层微球之间夹角可以是0°到90°改变，不同的夹角所对应焦点的焦距不同。

本实施例中，上物镜4、下物镜8可选用奥林巴斯公司的uplsap0100xs超级复消色差物镜，放大倍率100倍，数值孔径1.35。

本实施例中，探测器9选用thorlabs公司的dcc1545m型高分辨率黑白cmos相机，像素为1280×1024。

本实施例中，选取双层微球结构中每一层的微球数目为4，微球直径为1微米，如图3所示，4个微球分别等距对称地分布于上玻片10、下玻片11.。

本实施例中，双层微球结构间的夹角依次增加，分别为0°、10°、20°、30°、40°和45°，通过麦克斯韦球坐标方程研究微球产生的光子纳米喷射，选用fdtd-solution商用软件进行光子纳喷射光场分布的精确数值模拟，在同一轴向均产生3个不同焦距的焦点，且3个焦点的轴向位置从上至下依次排列。

聚焦可调的多焦点并行扫描工作方式如图5所示，待测样品厚度为6.30微米，调整第二层微球下方与样品台之间的距离为9.26微米；双层微球结构之间的夹角为0°时，产生3个焦点的焦距分别为2.86、4.35、6.09，相邻焦点的间距分别为1.49、1.88，结合样品台在水平位置的移动，3个焦点同时对样品轴向2.86、4.35、6.09位置的水平层进行扫描；逐渐增大双层微球结构之间的夹角至10°时，3个焦点的焦距分别从2.86至3.18、4.35至4.55、6.09至6.52之间不断步进，完成区间范围内的扫描；继续逐渐增大双层微球结构的夹角至20°时，完成轴向3.18至4.35、4.55至5.28、6.52至8.05区间位置的水平层扫描；继续逐渐增大双层微球结构之间的夹角至30°时，完成轴向4.35至4.75、5.28至5.83、8.05至8.85区间位置的水平层扫描；继续逐渐增大双层微球结构之间的夹角至40°时，完成轴向4.75至5.07、5.83至6.03、8.85至9.00区间位置的水平层扫描；继续逐渐增大双层微球结构之间的夹角至45°时，完成轴向5.07至5.17、6.03至6.17、9.00至9.18区间位置的水平层扫描；3个焦点的轴向扫描从2.83至9.18，总的轴向扫描长度为6.32，此时样品轴向各水平层已被完全扫描，即逐渐改变双层微球结构间的夹角从0°至45°变化，可完成对厚度为6.32微米的样品的三维扫描。

最后需要说明的是，以上实施方式仅用以说明本专利的技术方案而非限制，本领域的技术人员来说不脱离本专利原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本专利的保护范围。