一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器的制作方法

本发明涉及宽视场，多角度照明，多数值孔径成像，高对比度，高集成化的暗场照明。特别涉及一种由光纤侧向导光，全介质一维光子晶体调控照明光场出射角度的暗场成像领域。尤其涉及一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器。

背景技术：

1、显微技术的发明是科学研究史的一大飞跃，为人类提供了探索、了解微观世界的工具。光学显微技术是最常用的显微技术之一，它将微观世界图像直接呈现在我们眼前，是所有显微技术中最直观的，已经广泛的应用于生命科学，材料科学，环境科学当中。传统的光学显微镜是透射式明场，但是由于其信噪比较低，难以观测到弱散射体。科学家们发展了不同的照明方式来提高成像对比度。比较常见的有利用聚光镜实现的暗场显微镜，借助高折射率棱镜激发全内反射表面波照明的全内反射显微镜，以及借助相衬环提高对比度的相衬显微镜等。上述主要显微术在实际应用中具有很大的局限性，其存在的问题为：

2、1、操作复杂。上述的显微镜是通过引入一个传统的光学器件来调控光场，然而所引入的光学器件对光束准直性要求较高，同时需要要求其中心对准光轴。对非专业光学人员非常不友好，限制了其在其他领域的使用。

3、2、体积大。传统的暗场，全内反射照明需要体积较大的棱镜和空心的聚光镜来辅助照明。这些传统器件体积大，笨重。增加了系统复杂性。

4、3、成像视场小。基于聚光镜实现的暗场照明，其照明区域只有在聚焦光束处，因此其照明视场很小，导致其成像视场变小。

5、4、照明功能单一。基于传统光学元件的照明器件其功能单一，不能多维度调控光场。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服传统暗场照明显微术操作繁杂，体积大，照明功能单一的不足，提出了一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，其借助多模光纤束将自由空间的光传输到二氧化钛散射层和300nm的金膜中间，散射层将从光纤端面出射光束均匀的散射入射到全介质一维光子晶体上。全介质一维光子晶体对散射光束的角度进行筛选，只有大于一定角度的光束才能出射并照明物体。上述所提到300nm的金膜是将散射层散射的光和全介质一维光子晶体反射回来的光再次反射回到散射层进而再次入射到全介质一维光子晶体，提高对光的利用率。通过改变耦合到多模光纤束的光的波长，暗场照明器可以辐射出不同角度的照明场。通过选着合适数值孔径的成像物镜，可以实现不同数值孔径下的暗场照明，实现不同分辨率的成像效果。

2、本发明实现上述的技术方案如下：

3、一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，暗场照明器包括，全介质一维光子晶体、二氧化钛散射层、多模光纤束、300nm的金膜组成；

4、其中，多模光纤束用于将自由空间的光束传输到二氧化钛散射层和300nm的金膜中间；其中多模光纤束的一端是用 α－氰基丙烯酸乙酯无序的黏附在金膜上；二氧化钛散射层用于将从光纤端面出射的光均匀的散射成各个方向的光入射到全介质一维光子晶体；全介质一维光子晶体的能带结构用于调控光场的出射方向，使由二氧化钛散射层散射的光只有大于一定角度的光束出射。

5、进一步，所述的多模光纤束将自由空间的光束传输到金膜和二氧化钛散射层中间，实现更紧凑的照明方式。

6、进一步，300nm的金膜将从二氧化钛散射层和全介质一维光子晶体反射回来的光再次反射入射到二氧化钛散射层，进而再次入射到全介质一维光子晶体，提高光源的利用率。

7、进一步，入射光源是不同波长的光源，其通过一个聚焦耦合透镜耦合进暗场照明器；通过改变入射光源的中心波长，暗场照明器实现不同角度的出射光；其出射角度的大小由全介质一维光子晶体的能带结构特性决定。

8、进一步，暗场照明器与由像面探测器、成像管镜、以及成像物镜所组成的正置显微镜结合，实现暗场照明。

9、进一步，暗场照明器与正置显微镜结合后，通过改变入射光源波长，实现不同角度的照明光场；所述的成像物镜切换不同数值孔径成像物镜来实现不同分辨率的暗场成像。

10、进一步，进一步与微流控芯片结合，实现在片上实时检测。

11、本发明技术方案把自由空间的光通过聚焦耦合透镜耦合到多模光纤束，由多模光纤束将光束传输到散射层和金膜中间，实现侧向耦合光源。散射层将光纤端口出射光束均匀的散射，使不同方向的k波矢入射到全介质一维光子晶体。全介质一维光子晶体通过能带结构来调控出射光束大角度出射，并照明样品。其中，照明角度可以通过改变入射光源的波长来实现照明不同角度的出射。与不同数值孔径的正置显微镜成像系统结合可以实现不同分辨率的暗场成像。

12、本发明和现在有成像技术相比的优势为：

13、1、宽视场成像：光纤阵列无序的排放在金膜和散射层中间，可以通过控制排列的面积实现不同视场的照明。理论上照明场可以是整个照明器的平面，实现宽视场成像。

14、2、集成性高：由于多模光纤束将自由空间的光传输到金膜和散射层之间，实现了侧向耦合光源，使照明系统更加紧凑。照明器的厚度只有几个毫米范围，相比传统的空心聚光镜缩小了体积，实现集成化。

15、3、装置简单：照明器无需严格对准光路的光轴，且对入射光的准直性和均匀性要求低，便于非专业人员操作。

16、4、多功能照明：由于全介质一维光子晶体的能带结构，不同入射光源的波长入射，可以实现不同角度的照明，配合不同数值孔径的正置显微镜成像，实现不同分辨率的暗场成像效果。

技术特征：

1.一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，其特征在于：暗场照明器包括全介质一维光子晶体（1）、二氧化钛散射层（2）、多模光纤束（3）、300nm的金膜（4）；

2.根据权利要求1所述的一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，其特征在于，所述的多模光纤束（3）将自由空间的光束传输到金膜（4）和二氧化钛散射层（2）中间，实现更紧凑的照明方式。

3.根据权利要求1所述的一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，其特征在于，300nm的金膜（4）将从二氧化钛散射层（2）和全介质一维光子晶体（1）反射回来的光再次反射入射到二氧化钛散射层（2），进而再次入射到全介质一维光子晶体（1），提高光源的利用率。

4.根据权利要求1所述的一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，其特征在于，入射光源（10）是不同波长的光源，其通过一个聚焦耦合透镜（9）耦合进暗场照明器（8）；通过改变入射光源（10）的中心波长，暗场照明器（8）实现不同角度的出射光；其出射角度的大小由全介质一维光子晶体（1）的能带结构特性决定。

5.根据权利要求1所述的一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，其特征在于，暗场照明器（8）与由像面探测器（5）、成像管镜（6）、以及成像物镜（7）所组成的正置显微镜结合，实现暗场照明。

6.根据权利要求5所述的一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，其特征在于，暗场照明器（8）与正置显微镜结合后，通过改变入射光源（10）波长，实现不同角度的照明光场；所述的成像物镜（7）切换不同数值孔径成像物镜来实现不同分辨率的暗场成像。

7.根据权利要求6所述的一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，其特征在于，进一步与微流控芯片结合，实现实时检测。

技术总结
本发明公开了一种基于全介质一维光子晶体的宽视场暗场照明器，包括：全介质一维光子晶体、二氧化钛散射层、多模光纤束、300nm的金膜组成。将该照明器与正置显微镜结合可以实现暗场的成像效果。其中正置显微镜由像面探测器、成像管镜、以及成像物镜组成。入射光源通过聚焦耦合透镜耦合进暗场照明器，实现宽视场、高对比度的暗场照明。入射光源通过改变波长可以改变暗场照明器的辐射角度，配合不同成像物镜的收集数值孔径，可以实现不同分辨率的成像效果。

技术研发人员：张斗国,范泽滔
受保护的技术使用者：合肥国家实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/7/11