[发明专利]一种光学强度调制元件、结构设计方法及光学整形系统

说明书

本发明公开了一种光学强度调制元件、结构设计方法及光学整形系统，属于光学显微成像领域，元件包括：不透光掩膜板和透光单元；不透光掩膜板中刻蚀有多个同心环空心结构，透光单元包括多个与同心环空心结构一一对应的同心透光环，每一同心透光环填充在对应同心环空心结构中；多个同心透光环对线光源的强度分布进行调制以得到分段线光源，分段线光源经过多级干涉叠加后汇聚成低旁瓣类贝塞尔光束。这种元件能够降低类贝塞尔光束的旁瓣效应，并能通过调节多个同心透光环的内径和外径，以在光片厚度和瑞利距离满足需求的前提下得到最小旁瓣比例的类贝塞尔光束，提升样本轴向分辨率的同时，减少由于旁瓣效应在样本非焦平面上引起的光漂白与光毒性。

技术领域

本发明属于光学显微成像领域，更具体地，涉及一种光学强度调制元件、结构设计方法及光学整形系统。

背景技术

利用普通高斯光产生一个光束薄片，光束薄片照射到样本侧面激发荧光，在垂直于光片的方向上获取照明层面荧光图像，这称为光片照明显微技术。光片显微成像系统以高轴向分辨率、较高通量、低光漂白等特点，在生物医学成像领域中得到了广泛关注。然而，系统中图像的轴向分辨率基本由照明光片厚度决定。随着大量应用研究的开展，更多对光片显微镜的挑战和问题也被相继提出。基于高斯光束的光片显微技术在其轴向分辨率与视野宽度上存在难以折衷的限制，无法同时满足高分辨率与大视场的要求。由此，具有无衍射、保型性等特点的贝塞尔光片就成为了近些年来人们研究的热点。

不同于高斯光片，贝塞尔光片能在数毫米的传播距离上保持稳定的横向截面半径，这可以为光片照明实现数毫米长度的有效视场；此外，基于贝塞尔光片的照明方法可以实现数微米级别的高轴向分辨率。虽然贝塞尔光片能够解决大视野与轴向分辨率的兼容问题，但本身也存在其固有的缺点。贝塞尔光片本身横截面的强度分布呈多峰状，存在严重的旁瓣效应，这不仅显著地影响了轴向分辨率，而且在样本的焦平面上下引入了额外的光毒性与光漂白。如何降低贝塞尔光片的旁瓣效应，尽量减少其对光片成像的影响对实现深层活体细胞三维高分辨高速成像至关重要。然而，目前尚未有关于如何降低贝塞尔光片旁瓣效应的研究。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种光学强度调制元件、结构设计方法及光学整形系统，其目的在于在高分辨光片照明显微成像系统中生成高性能照明光片，降低类贝塞尔光束的旁瓣效应，提升样本轴向分辨率的同时，减少由于旁瓣效应在样本非焦平面上引起的光漂白与光毒性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光学强度调制元件，包括不透光掩膜板和透光单元；所述不透光掩膜板中刻蚀有多个同心环空心结构，所述透光单元包括多个同心透光环，所述同心透光环与所述同心环空心结构一一对应，且相对应的同心透光环和同心环空心结构的尺寸相同，每一所述同心透光环填充在对应的同心环空心结构中；所述多个同心透光环用于对线光源的强度分布进行调制以得到分段线光源，所述分段线光源经过多级干涉叠加后汇聚成低旁瓣类贝塞尔光束。

更进一步地，所述同心透光环的数量为两个。

更进一步地，所述低旁瓣类贝塞尔光束中旁瓣的光强分布由各所述同心透光环的内径以及外径确定。

更进一步地，所述透光单元的材料为玻璃、亚克力或聚碳酸酯。

按照本发明的另一个方面，提供了一种光学强度调制元件的结构设计方法，包括：S1，控制第一透光环的内径和外径保持不变，调节第二透光环的内径和外径，仿真获取类贝塞尔光束旁瓣效应最小时所述第二透光环的内径和外径，其中，所述第一透光环为位于外侧的同心透光环，所述第二透光环为位于内侧的同心透光环；S2，调节所述第一透光环的内径和外径；S3，多次重复执行所述S1-S2，以仿真得到令类贝塞尔光束旁瓣效应最小的第一透光环的内径和外径以及第二透光环的内径和外径；S4，根据所述S3中得到的第一透光环的内径和外径以及第二透光环的内径和外径在不透光掩膜板中刻蚀出同心双环空心结构；S5，在所述同心双环空心结构中填充透光材料以制备所述第一透光环和第二透光环。