[发明专利]一种基于波长复用超表面的快速三维显微成像方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于波长复用超表面的快速三维显微成像方法和系统，系统包括：沿光束传播方向布置的光源模块、光调制模块、样品载物台和光收集模块；所述的光调制模块将双波长光束调制为HiLo显微成像所需的正弦条纹分布结构的照明光与相位平坦的均匀照明光并投影照明光至样品载物台处；所述光收集模块实现不同轴平面上的样品图像采集以及数据传输；根据HiLo融合算法组合多个光学切片图像以形成三维显微成像。本发明实现了快照式的HiLo光学切片显微成像，提高了成像速度与稳定性；实现待测样品的三维显微成像；具备体积小、结构紧凑以及便于移动等优点，能够满足野外环境、偏远地区等复杂环境下即时检测的需求。

技术领域

本发明涉及光学显微及微纳光学技术领域，具体为一种基于波长复用超表面的便携式快速三维显微成像方法和系统。

背景技术

宽场显微技术作为生物显微成像中的一种基本技术，常用于对生物样品的结构细节进行非接触、快速和低成本的高分辨成像。然而，传统的宽场显微镜由于系统景深引入的离焦背景噪声会降低图像质量与图像对比度。其次对厚样品来说，由于宽场照明光功率密度较低，难以激发并穿透样品深层从而实现三维成像，因此限制了宽场显微成像在厚样品中的应用。

HiLo显微成像是一种简单、快速且有效的宽场光学切片成像技术，通过拍摄一张均匀光照明图像与一张结构光照明图像即可重构出高分辨图像。尽管HiLo显微技术具备光学切片能力，但为了获取所需的均匀照明图像与结构光照明图像，要求探测相机进行两次图像拍摄采集，影响成像速度和成像质量的提高。此外，在传统的HiLo显微镜中结构照明光是通过空间光调制器或数字微镜器件调制产生，因此系统体积庞大、结构复杂且难以移动。在野外环境或偏远地区，检测人员需将采集到的待测样品切片保护处理并携带至实验室才能进行成像检测。因此，传统的HiLo显微架构无法满足上述复杂环境下的初步即时检测需求。

发明内容

为了解决上述传统HiLo显微成像中的问题，本发明的目的是要提出一种基于波长复用超表面的便携式快速三维显微成像方法和系统，以满足快速、即时的三维光学切片显微成像需求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于波长复用超表面的快速三维显微成像系统，包括：沿光束传播方向布置的光源模块、光调制模块、样品载物台和光收集模块；所述的光源模块将两种不同工作波长光源的出射光合束，并整形为准直共轴的双波长光束；所述的光调制模块将双波长光束调制为HiLo显微成像所需的正弦条纹分布结构的照明光与相位平坦的均匀照明光并投影照明光至样品载物台处；所述光收集模块实现不同轴平面上的样品图像采集以及数据传输；根据HiLo融合算法首先重构单个轴平面上的光学切片图像，组合多个光学切片图像以形成三维显微成像。

可选的，所述光调制模块包括沿光路方向依次设置的波长复用超表面器件、第一显微物镜、偏振不敏感分束器、电调液体变焦透镜和第二显微物镜；所述的波长复用超表面器件包括波长复用超表面及超表面安装座，使光源模块的双波长光束正入射至波长复用超表面；波长复用超表面同时产生HiLo显微成像所需的结构照明光与均匀照明光，调制后的两种照明光由第一显微物镜收集，经由偏振不敏感分束器、电调液体变焦透镜以及第二显微物镜后，投影照明光至样品载物台处。

可选的，所述的波长复用超表面包括透明衬底与布置在透明衬底上的多个基本单元结构，基本单元结构为介质纳米天线，介质纳米天线包括晶格以及设置在所述晶格上表面中心处的介质纳米柱；所述基本单元结构的尺寸均为亚波长量级；所述透明衬底的形状为正方形。

可选的，所述的光收集模块包括沿光路方向设置的第二显微物镜、电调液体变焦透镜、偏振不敏感分束器、套筒透镜以及彩色相机；波长复用超表面产生的两种照明光投影至待测样品处，经过样品的反射光首先由第二显微物镜与电调液体变焦透镜收集，收集光经过偏振不敏感分束器反射至套筒透镜中，套筒透镜最后将收集光成像至彩色相机的像元靶面上。