基于离散调制的圆二色显微成像系统

1.本发明涉及一种手性固体显微光学成像系统，属于光学成像领域。


背景技术：

2.圆二色光谱是样品在左旋圆偏振光照射下的吸收光谱与其在右旋圆偏振光照射下的吸收光谱之差。如果一个物质对左旋圆偏振光和对右旋圆偏振光的吸收不同，那么称该物质具有圆二色性(circular dichroism，以下简称cd)。cd光谱是研究手性分子结构的重要工具，可以帮助提供有关组成分子的构象和旋向以及它们与溶剂的相互作用的有用信息，通常情况下是在溶液状态下测量的。
3.近年来，固体化学作为化学研究的前沿领域而蓬勃发展。固体光谱学提供了关于固相结构和超分子性质的有价值的信息，这些信息无法从溶液相获得。但是迄今为止，使用商用的cd光谱仪测量固体的手性是非常困难的。cd光谱必定伴随着伪影(与线偏振分量相关的各向异性信号)，这些伪影一方面源于样品的宏观各向异性，这是固体所特有的，另一方面来自偏振调制仪器的非理想特性。为了获得真实的cd光谱，我们必须从观察到的cd光谱中去除伪影。
4.传统的cd光谱仪一般是利用光弹调制器进行偏振调制的，这样就会在调制过程中不可避免的形成与线偏振分量相关的各向异性信号，如线二色性(ld)以及线双折射(lb)这样的伪影信号。而实际上，ld和lb信号要比cd和cb信号大2到3个数量级的，所以我们在测量一般的固体样品时很难测得真正的cd光谱。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决现有的商用cd光谱仪测量固体手性时，存在伪影信号的问题，提出了一种基于离散调制的圆二色显微成像系统。
6.本发明所述一种基于离散调制的圆二色显微成像系统，包括线性光源、1/2波片、偏振片、第一反射镜、第一光束偏移器、光学斩波器、第二光束偏移器、1/4波片、第一物镜和样品载物台；
7.线性光源发射的线偏振光入射至1/2波片，经1/2波片调节偏振方向后入射至偏振片，所述偏振片将入射光转换为45度线偏振光，所述45度线偏振光经第一反射镜反射后入射至第一光束偏移器，所述第一光束偏移器将45度线偏振光分离成两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光，所述两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光经光学斩波器后呈周期性交替变换射出至第二光束偏移器，所述第二光束偏移器将呈周期性交替的两束线偏振光合成一束离散的线偏振光，所述离散的线偏振光经1/4波片转换成离散的圆偏振光，所述离散的圆偏振光经第一物镜聚焦后照射至待测样品上，所述待测样品位于载玻片上，所述载玻片固定于样品载物台上；获得载玻片上的待测样品光学图像。
8.进一步地，本发明中，还包括白光光源、电脑、纳米移动平台、第二反射镜和相机；
9.进行白光的光学成像时，采用白光光源发射白光通过第一物镜入射至经离散的圆
偏振光照射后的样品上，第二反射镜将经过样品载玻片的白光反射到相机的摄像头，获得样品的光学图像；
10.样品载物台固定在纳米移动平台上，所述电脑接收相机获得的样品光学图像，通过控制纳米移动平台调整所述样品在光学图像中的位置。
11.进一步地，本发明中，还包括光电探测器、锁相放大器和控制器；
12.所述光电探测器用于探测被待测样品吸收后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，将光信号转换为电信号，并将转换的电信号传输至锁相放大器的信号输入端；
13.控制器用于控制光学斩波器的叶片转动，随着叶片的转动，两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光周期性地交替射出，实现离散调制，控制器的参考信号输出端连接锁相放大器的参考信号输入端，所述锁相放大器对接收的信号进行解调制，并将解调制后的信号传输至电脑。
14.进一步地，本发明中，偏振片为45度方向的偏振片。
15.进一步地，本发明中，第一光束偏移器将45度偏振光分离成偏振方向水平和垂直的两束线偏振光。
16.进一步地，本发明中，还包括第二物镜，所述第二物镜用于将通过待测样品的透射光聚焦后发射至第二反射镜。
17.进一步地，本发明中，还包括白光光源，所述白光光源放置在第一物镜的前面。
18.进一步地，本发明中，还包括凸透镜和针孔，所述针孔放置在凸透镜的焦点处并贴放在光电探测器采集面的前侧。
19.本发明通过利用光束偏移器以及斩波器进行离散调制得到了垂直和水平偏振方向交替的线偏振光，采用1/4波片得到了纯净的左旋和右旋圆偏振光，将其照射到样品上，样品对左旋和右旋圆偏振光的吸收不同就会形成cd信号，进行圆偏振调制得到的是纯净的圆偏振光，不会有线偏振分量参与调制，从根本上阻止了伪影信号的产生。
附图说明
20.图1是本发明所述系统在白色光源下相机采集图像的结构示意图；
21.图2是本发明所述系统采用光电探测器采集图像时的结构示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
24.具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于离散调制的圆二色显微成像系统，包括线性光源1、1/2波片2、偏振片3、第一反射镜4、第一光束偏移器5、光学斩波器6、第二光束偏移器7、1/4波片8、第一物镜10和样品载物台12；
25.线性光源1发射的线偏振光入射至1/2波片2，经1/2波片2调节偏振方向后入射至
偏振片3，所述偏振片3将入射光转换为45度线偏振光，所述45度线偏振光经第一反射镜4反射后入射至第一光束偏移器5，所述第一光束偏移器5将45度线偏振光分离成两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光，所述两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光经光学斩波器6后呈周期性交替变换射出至第二光束偏移器7，所述第二光束偏移器7将呈周期性交替的两束线偏振光合成一束离散的线偏振光，所述离散的线偏振光经1/4波片8转换成离散的圆偏振光，所述离散的圆偏振光经第一物镜10聚焦后照射至待测样品上，所述待测样品位于载玻片上，所述载玻片固定于样品载物台12上；获得载玻片上的待测样品光学图像。
26.进一步地，结合图1进行说明，本实施方式中，还包括白光光源9、电脑19、纳米移动平台11、第二反射镜14和相机18；
27.进行白光的光学成像时，采用白光光源9发射白光通过第一物镜10入射至经离散的圆偏振光照射后的样品上，第二反射镜14将经过样品载玻片的白光反射到相机18的摄像头，获得样品的光学图像；
28.样品载物台12固定在纳米移动平台11上，所述电脑19接收相机18获得的样品光学图像，通过控制纳米移动平台调整所述样品在光学图像中的位置。
29.具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于离散调制的圆二色显微成像系统与具体实施方式一的区别在于，它还包括光电探测器17、锁相放大器20和控制器21；
30.所述光电探测器17用于探测被待测样品吸收后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，将光信号转换为电信号，并将转换的电信号传输至锁相放大器20的信号输入端；
31.控制器21用于控制光学斩波器6的叶片转动，随着叶片的转动，两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光周期性地交替射出，实现离散调制，控制器21的参考信号输出端连接锁相放大器20的参考信号输入端，所述锁相放大器20对接收的信号进行解调制，并将解调制后的信号传输至电脑19。
32.本实施方式中,控制器21用于控制光学斩波器6的叶片转动，随着叶片的转动，两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光周期性地交替射出，实现离散调制，控制器21的参考信号输出端连接锁相放大器20的参考信号输入端，所述锁相放大器20对接收的信号进行解调制，并将解调制后的信号传输至电脑19。此时，照相机不采集信号,处于关闭状态。
33.进一步地，具体实施方式一和具体实施方式二中，偏振片3为45度方向的偏振片。
34.进一步地，具体实施方式一和具体实施方式二中，第一光束偏移器5将45度偏振光分离成偏振方向水平和垂直的两束线偏振光。
35.本实施方式在使用时可根据实际情况，先利用可移除的白光光源和第二反射镜进行成像，再将可移除白光光源和第二反射镜移除利用光电探测器17采集和接收经样品后的光信号。
36.进一步地，具体实施方式一和具体实施方式二中，还包括第二物镜13，所述第二物镜13用于将通过待测样品的透射光聚焦后发射至第二反射镜14。
37.进一步地，具体实施方式一和具体实施方式二中，还包括白光光源9，所述白光光源9放置在第一物镜10的前面。
38.进一步地，具体实施方式一和具体实施方式二中，还包括凸透镜15和针孔16，所述
针孔16放置在凸透镜15的焦点处并贴放在光电探测器采集面的前侧。
39.本实施方式中，第一物镜10、第二物镜13、凸透镜15和针孔16的作用就是在样品上形成共聚焦，目的是有效防止杂质信号，降低背景信号的强度，提高该系统成像的空间分辨率。
40.本发明实施例：
41.采用氦氖激光器作为本实施例的光源，由其发出的633nm波长的单色光通过1/2波片和45
°
偏振片，其作用是调节偏振方向并将入射光变成45
°
方向的线偏振光，得到的45
°
方向的线偏振光，45
°
方向的线偏振光通过第一反射镜将其反射到后续的光学系统中；第一反射镜反射过来的线偏振光通过第一光束偏移器分离成两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光(水平方向和垂直方向)；光学斩波器将两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光呈周期性交替出射到第二光束偏移器，此时所用光学斩波器有30槽叶片，占空比为25％；第二光束偏移器将呈周期性交替入射的两束线偏振光合成一束离散偏振调制的线偏振光；再经1/4波片后转换成离散偏振调制的圆偏振光。
42.纳米移动平台控制样品载物台进行移动，在可以获得样品的白光光学图像以及激光的扫描图像；其中可移除白光光源和第二反射镜仅仅是在对样品获取光学图像时使用，当在光路中加入白光光源和第二反射镜时可以通过第二反射镜将白光反射到相机后获得样品的光学图像；当移除白光光源和第二反射镜时，由1/4波片出射的离散调制的圆偏振光经第一物镜(20x，n.a.＝0.4)聚焦后照射到样品上，该样品位于载玻片上，并将其固定于样品载物台上，纳米移动平台用来控制样品载物台进行移动，可以获得白光光源下的样品光学图像以及激光下的扫描图像。
43.当移除白光光源时，由第二物镜(50x，n.a.＝0.75)出射的单色光经过焦距为100mm的凸透镜，将光在其焦点处会聚，此时我们要将100μm的针孔设置在凸透镜焦点处，最终到达光电探测器处(这里的光电探测器我们使用的是雪崩光电二极管apd)。系统中所用的纳米移动平台是p
‑
733.2cd的xy压电陶瓷纳米定位器，移动范围为100*100μm，由e761数字压电控制器进行控制。同时还编写了可以定位纳米移动平台的labview程序，使样品进行扫描成像时，可以使扫描点定位在扫描平台的中心或其他确定位置从而扫描出样品的形貌。
44.在纳米移动平台控制样品移动时，离散调制的圆二色显微成像系统在雪崩光电二极管处探测被待测样品吸收后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，将光信号转换为电信号，并将转换的电信号传输至锁相放大器sr830的信号输入端；将光学斩波器放置在光路中，控制器的输出信号控制旋转叶片进行转动，随着叶片的旋转，两束强度相同、偏振方向相互垂直的线偏振光会周期性地交替通过，实现离散调制，控制器的参考信号输出端连接锁相放大器的参考信号输入端，所述锁相放大器对接收的信号进行解调制，并将解调制后的信号传输至电脑，所述电脑用于对接收解调制后的信号进行采集和存储。
45.而之前的第一光束偏移器、第二光束偏移器、1/4波片、纳米移动平台、斩波器的控制器、获取样品光学图像的相机以及锁相放大器均需要由电脑控制完成，提高系统的控制精度。其次相机是用于接收白光来获得样品的光学图像，可将拍摄获得得样品光学图像传输至电子终端。
46.最后利用锁相放大器对信号进行解调制，在斩波器和1/4波片的共同作用中得到
需要的cd图像。当空间分辨率足够高时，将激光打在样品的单点上，通过电脑控制1/4波片(进行旋转就能得到相应的cd信号。
47.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。