[發明專利]光片熒光顯微鏡波束整形光學元件及光片熒光顯微鏡

在審

• 申請號: 202210432275.7
• 申請日: 2022-04-22
• 公開（公告）號: CN114895382A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 葉虹;史國華;何益;邢利娜
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02B27/09;G02B21/16
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理有限公司 11369
• 代理人: 韓玲

本發明公開了一種光片熒光顯微鏡波束整形光學元件及光片熒光顯微鏡，該光學元件具有螺旋型結構的超構表面，該螺旋型結構的超構表面具有如下尺寸特征：螺旋型結構終端半徑r通過如下方式確定：其中，λ_spp為超構表面等離基元共振波長，為螺旋型結構旋轉角，r₀為螺旋型結構起始半徑。本發明提供的光片熒光顯微鏡波束整形光學元件具有亞波長空間分辨率的光學波前調控能力，能夠對光的波前進行精準的整形，得到光斑大小達到亞波長以內的非衍射光束，從而提升醫用光片顯微鏡的成像性能，并降低對成像目標物的光毒性，能更好的滿足生命科學中對活細胞信息無創提取的應用需求。

技術領域

本發明涉及光學成像技術領域，特別涉及一種光片熒光顯微鏡波束整形光學元件及光片熒光顯微鏡。

背景技術

在生命科學研究中，無創對活細胞提取盡可能多的時空信息是長久的追求。這要求成像系統在不影響生物活性的前提下，實現更大視野，更高分辨率，更高速的三維圖像。光學顯微成像技術發展迅速，從傳統的寬場熒光顯微鏡成像已發展到最先進的光片顯微鏡成像。光片熒光顯微鏡(LSFM)其特點在于激發光的照明方式，即照明光軸與探測光軸相互垂直，照明光采用一張與成像面平行的薄“光片”，只有焦平面的樣品被照亮，其上下的樣品部分不受影響，具有天然的光學切片功能。光片熒光顯微鏡的原理如圖1所示。光片熒光顯微鏡關鍵的核心技術在于光片的產生，最簡單的方法是在光路中引入一個柱形透鏡。高斯光束通過柱形透鏡，聚焦后的光腰ω₀＝λ/(π×NA)，即為光片厚度，共焦參數b＝2ω₀/NA，即為有效視野長度。在大多數情況下，成像物鏡的數值孔徑NA值較低，光片厚度小于其景深，系統的軸向分辨率則由光片的厚度來決定。現在常見的光片系統則是通過在單個方向上掃描垂直于檢測軸的聚焦光束來生成虛擬光片，稱為數字掃描光片顯微鏡。

光片顯微鏡技術的發展一直是圍繞著光片進行的。通過精準操作光片，提高LSFMs的性能：更高的分辨率，更大的視野，更好的光學切片，更快的成像速度，以及降低光漂白和光毒性。現有提高光片顯微鏡(光片性能)性能常見的技術途徑是在顯微鏡物鏡的瞳孔功能處，調整光學波前的振幅和相位，通過引入被動光學元件(例如振幅掩膜、相位掩膜、軸棱錐)或者主動波前整形器件(例如空間光調制器、可變形鏡)，調整光學波前的振幅和相位，完成光束整形，實現要求的光片。這些技術的不足在于：

1)采用傳統的被動光學元件進行光束整形，無法在亞波長尺度上調控入射光，限制了分辨率的提升；

2)采用主動波前整形器件進行光束整形，調節技術要求高，穩定性低，且成本高昂。

所以，現在需要提供一種更可靠的方案。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種光片熒光顯微鏡波束整形光學元件及光片熒光顯微鏡。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種光片熒光顯微鏡波束整形光學元件，該光學元件具有螺旋型結構的超構表面，該螺旋型結構的超構表面具有如下尺寸特征：

螺旋型結構終端半徑r通過如下方式確定：

其中，λ_spp為超構表面等離基元共振波長，為螺旋型結構旋轉角，r₀為螺旋型結構起始半徑；λ₀為入射波波長，ε_d為空氣介電常數，ε′_m為超構表面材料介電常數。

優選的是，螺旋型結構的超構表面的高度為20-30nm。

優選的是，螺旋型結構的寬度為150-250nm。

優選的是，螺旋型結構旋轉角為1080°,即3圈。