一种基于全息光学的多色成像系统及全息光镊装置的制作方法

1.本技术涉及到光领域，具体而言，涉及一种基于全息光学的多色成像系统及全息光镊装置。


背景技术：

2.光镊即单光束梯度力光阱，是基于散射力和辐射压梯度力相互作用而形成的能够捕获整个米氏和瑞利散射范围粒子的势阱。对粒子起捕获作用的是梯度力，要想将粒子稳定地束缚在光场势阱中，轴向梯度力必须要克服散射力。所以通常需要使用较大数值孔径的显微物镜将激光束高度会聚，从而产生足够强的梯度力来实现粒子的捕获。在软物质、生命科学与生物医学等领域，光镊技术可以和光学显微物镜技术相结合，实现单个微粒的观察、捕获和操纵，但显微光镊装置尚未应用于高灵敏定量检测。
3.对于软物质、生命科学与生物医学等检测领域中涉及到的光路结构中的光镊系统来说，现有技术中的系统产生捕捉粒子的光阱的能力受限，影响了光镊的应用。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种基于全息光学的多色成像系统及全息光镊装置，以至少解决现有技术中基于显微镜的光镊系统与多波长荧光成像系统能力有限的问题。
5.根据本技术的一个方面，提供了一种全息光镊装置，包括：激光器，用于发出激光；偏振调制部，用于将所述激光器发出的激光进行偏振态调制，以实现激光强度的控制；空间光调制器，用于对来自所述偏振调制部的光进行光场调制，其中，调制后的所述光场经第一显微物镜后形成光镊。
6.进一步地，所述偏振调制部包括：光隔离器，用于隔离反射回倒的激光并使所述激光器发出的激光变为线偏振光；半波片，所述半波片通过旋转使得所述线偏振光的光线偏振方向旋转；扩束器，将所述半波片出射的线偏振光的激光光束直径扩大；偏振分束器或偏振片，经过所述扩束器的光入射到所述偏振分束器或偏振片，其中，所述偏振片用于输出预定偏振方向的光，所述偏振分束器将入射光分为偏振方向相互正交的两束光输出。
7.进一步地，所述偏振调制部还包括：设置在所述半波片和所述扩束器之间的第一反射镜和第二反射镜，其中，经过所述第一发射镜和所述第二发射镜的出射光与入射到所述第一反射镜和所述第二反射镜的入射光平行且方向相反。
8.进一步地，所述装置还包括：设置在所述偏振调制部和所述空间光调制器之间的第三反射镜和第四反射镜，其中，经过所述第三发射镜和所述第四发射镜的出射光与入射到所述第三反射镜和所述第四反射镜的入射光平行且方向相反。
9.进一步地，所述装置还包括：透镜，所述空间光调制器的出射光经过所述透镜后出射。
10.进一步地，所述透镜包括：第一透镜和第二透镜，以及设置在所述第一透镜和所述第二透镜之间的空间隔离器，其中，所述空间隔离器用于滤去零级光。
11.根据本技术的另一个方面，还提供了一种基于全息光镊的多色成像系统，包括：多波长光模块，用于发出多波长的激发光，其中，所述多波长光模块发出的光用于激发荧光染料产生多种荧光；上述的全息光镊装置，其中，所述光镊用于捕获和/或移动被激发产生荧光的微粒；第一二向色镜，用于将所述多色光模块的出射光和所述全息光镊装置的出射光进行合束。
12.进一步地，上述多色成像系统还包括显微镜，所述显微镜包括第一显微物镜、样品台、第二显微物镜、电动机械快门、白光源、第二二向色镜和管镜。所述第一显微物镜，用于对入射激光进行聚焦形成多光阱结构，并用于图像收集；所述样品台用于放置和固定样品；所述白光源是观察样品的照明光源；所述电动机械快门用于控制曝光时间；所述第二显微物镜将白光源聚集到样品台；所述第二二向色镜将全息光镊激光和多波长激发光反射入第一显微物镜，透射多色成像的荧光与光力矩分析所用波段的光；管镜将透射第二二向色镜的显微镜输出光聚向图像采集模块；
13.进一步地，上述多色成像系统还包括图像采集模块，用于超快图像采集以分析光力矩和多色荧光显微成像；
14.进一步地，上述多色成像系统还包括控制终端，用于控制全息光镊模块、读取所述图像采集模块的成像信息和控制显微镜中的电动机械快门。
15.进一步地，所述多波长光模块发出的激发光为led光。
16.在本技术实施例中，采用了激光器，发出用于全息光镊的激光；偏振调制部，用于将所述激光器发出的激光进行偏振态调制和分束，得到偏振方向相互正交的两束光；空间光调制器，用于对来自所述偏振调制部的光进行光场调制，其中，调制后的所述光场经第一显微物镜聚焦形成光镊。通过本技术解决了现有技术中基于显微镜的光镊系统与多波长荧光成像系统能力有限的问题，从而可以利用全息光镊捕获和移动微粒，并对样品空间结构和动态进行分析。
附图说明
17.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
18.图1是根据本技术实施例的基于全息光学的多色成像系统及全息光镊装置系统原理图；
19.图2是根据本技术实施例的基于全息光学的多色成像系统及全息光镊装置系统结构框图。
20.在上述附图中，附图编号对应的部件如下：激光器1、光隔离器2、半波片3、扩束器4、偏振片5、空间光调制器6、透镜7、空间隔离器8、透镜9、多波长led 10、第一二向色镜11、第二二向色镜12、第一显微物镜13、样品台14、第二显微物镜15、电动机械快门16、白光源17、管镜18、电控切换反射镜19、超快相机20、相机链路板21、滤光片22、高增益相机23、控制终端24。
具体实施方式
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
22.在本实施例中提供了一种结合多色荧光显微成像的全息光镊装置，包括：激光器1，用于发出捕获微粒的激光；偏振调制部，用于将激光器发出的激光进行偏振态调制，以实现激光强度的控制；空间光调制器6，用于对来自偏振调制部的光进行光场调制，其中，调制后的光场经第一显微物镜紧聚焦后形成光镊。
23.通过上述装置，可以产生全息光形成的光镊，解决了现有技术中基于显微镜的光镊系统能力有限的问题，从而可以利用全息光镊捕获和移动微粒，并通过多色荧光显微成像对样品空间结构和动态进行分析。
24.在一个可选实施方式中，上述空间光调制器6可以在主动控制下，它可以通过液晶分子调制光场的某个参量，例如通过调制光场的振幅，通过折射率调制相位，通过偏振面的旋转调制偏振态，或是实现非相干——相干光的转换，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。它可以方便地将信息加载到一维或二维的光场中，此处加载的就是想要得到的光镊。
25.上述的偏振调制部(或称为调制部)可以包括多种结构，例如，在一个可选的实施方式中，该偏振调制部可以包括：光隔离器2，用于隔离反射回倒的激光并使激光器发出的激光变为线偏振光；半波片3，半波片3通过旋转使得线偏振光的光线偏振方向旋转；扩束器4，将半波片出射的线偏振光的激光光束直径扩大；偏振分束器5或偏振片5，经过扩束器的光入射到偏振分束器5或偏振片5，其中，偏振片5用于输出预定偏振方向的光，偏振分束器5将入射光分为偏振方向相互正交的两束光输出。在一个实施方式中，偏振调制部可以实现起偏、偏振旋转、偏振分束的功能。
26.下面对该可选实施方式中的部件进行分别说明。光隔离器2最主要的作用是为了隔离反射回倒的激光防止损坏激光器。在另一个可选方式中，还可以使用偏振相关型光隔离器，激光器本身发出的激光偏振方向是任意且稳定的，偏振相关型光隔离器会将任意偏振的输入光输出为线偏振光。半波片3可以旋转线偏振光，光的偏振方向与半波片光轴的夹角为a，那么线偏振光经过半波片后偏振方向与半波片光轴夹角为2a。扩束器4，使得光束直径变大，一般可以有两种。偏振分束器5把任意偏振方向的入射光，分为预定的两个相互正交的偏振方向，最终输出正交的两束光；偏振片，对于任意偏振方向的入射光，只允许某一偏振方向的光分量通过，完全阻隔与该偏振方向正交的光分量。显然当入射光的偏振方向旋转时，经过偏振分束器或者偏振片输出的光强度将改变。
27.通过上述几个部件，光隔离器输出线偏振光并阻隔反射回倒的激光损伤激光器，线偏振光进入半波片被旋转，通过旋转半波片(即同时旋转半波片的光轴)，从而实现将线偏振光的偏振方向任意旋转，经过偏振旋转的线偏振光经过扩束后进入偏振分束器或者偏振片，其目的相同都为筛选出某一偏振方向的光分量，因为只有一部分光分量被筛选，从而衰减了光强度，配合旋转半波片，实现了强度调制。
28.为了能够使得该全息光镊装置的所占空间变小，可以在偏振调制部中改变光路方向，在该可选实施方式中，该偏振调制部还可以包括：设置在半波片和扩束器之间的第一反射镜和第二反射镜，其中，经过第一发射镜和第二发射镜的出射光与入射到第一反射镜和第二反射镜的入射光平行且方向相反。
29.同理，也可以在这个全息光镊装置中改变光路的方向，在该可选实施方式中，可以
在装置中增加设置在偏振调制部和空间光调制器之间的第三反射镜和第四反射镜，其中，经过第三发射镜和第四发射镜的出射光与入射到第三反射镜和第四反射镜的入射光平行且方向相反。
30.对于空间光调制器的出射激光还可以进行优化处理，即在一个可选的实施方式中，全息光镊装置还可以包括：透镜，空间光调制器的出射光经过透镜后出射。例如，该透镜可以包括：第一透镜7和第二透镜9，以及设置在第一透镜7和第二透镜9之间的空间隔离器8，其中，空间隔离器8用于滤去零级衍射光。
31.在本实施例中提供了一种基于全息光镊的多色成像系统，包括：多波长激发光模块，用于发出多波长的led光，其中，多波长激发光模块发出的光用于激发荧光染料产生多色荧光；上述的全息光镊装置，其中，光镊用于捕获和/或移动被激发产生荧光的样本或与产生荧光的样本相邻的微粒；第一二向色镜，用于将多波长激发光模块的出射光和全息光镊装置的出射激光进行合束。多波长激发光模块发出的激发光源可以为led光源。
32.该系统还可以包括：显微镜。显微镜包括第一显微物镜、样品台、第二显微物镜、电动机械快门、白光源、第二二向色镜和管镜。第一显微物镜，用于对入射激光进行聚焦形成多光阱结构，并用于图像收集；样品台用于放置和固定样品；白光源是观察样品的照明光源；电动机械快门用于控制曝光时间；第二显微物镜将白光源聚集到样品台；第二二向色镜将全息光镊激光和多波长激发光反射入第一显微物镜，透射多色成像的荧光与光力矩分析所用波段的光；管镜将透射第二二向色镜的显微镜输出光聚向图像采集模块；图像采集模块，用于采集图像信息；控制终端，用于控制全息光镊模块、读取所述图像采集模块的成像信息和控制显微镜中的电动机械快门。
33.为了更好的对荧光拍摄，该系统还可以包括:滤光片22，用于对通过二向色镜透射的荧光进行过滤(截止激发光)；
34.下面结合一个可选的实施例进行说明。在本可选实施例中，图1是根据本技术实施例的全息光镊成像系统的示意图，如图1所示，该系统包括：多波长激发光模块、全息光镊模块、图像采集模块、控制终端和显微镜，其中，经第一显微物镜聚焦后，全息光镊模块提供捕获微粒的光阱，多波长激发光模块提供多色led光用于激发荧光；另外，显微镜提供放大和观察样品的平台，图像采集模块，用于采集图像信息；信号采集后，控制终端用于读取相机发回成像信息与控制全息光镊。下面分模块介绍。
35.多波长激发光模块
36.多波长激发光模块输出多种波长的led激发光，光束均匀且准直，用于激发荧光染料发出荧光。
37.该多波长激发光模块的结构可以有很多种，在本实施例中提供了一种优选的结构，在该优选的结构中包括n个单色光源(n可以为4或者6)，n个单色光源包括：一个第一光源和至少一个第二光源，第一光源的出光方向为第一方向，第二光源的出光方向为第二方向或第三方向，第一方向为多色光源的出光方向，第二方向为一个与第一方向垂直的方向，第三方向为与第一方向平行的方向，每个单色光源发出的光的波长不同，n个单色光源同时全部或者部分发光；单色光源为led光源。m个二向色镜包括：至少一个设置在第一方向上的第一二向色镜和至少一个设置在第二方向上的第二二向色镜；第一二向色镜透传第一光源的光，并且将第二方向上射来的第二光源的光反射至第一方向；第二二向色镜透传第二方
向上射来的第二光源的光，并且将第三方向上射来的第二光源的光反射至第二方向。为了使光的质量更好，在光进行合束之前设置如下装置的至少之一：n个菲涅尔透镜，每个菲涅尔透镜分别设置在每个单色光源和距离该单色光源最近的二向色镜之间；n个滤光片，每个滤光片分别设置在每个菲涅尔透镜和距离该菲涅尔透镜最近的二向色镜之间。对于合束之后的光，也可以通过如下装置的至少之一提高质量：平凸透镜，n个光源的光合束后通过平凸透镜。双凹透镜，n个光源的光合束后通过双凹透镜。作为一个可选的实施方式，在平凸透镜和双凹透镜均设置的情况下，合束光先通过平凸透镜再通过双凹透镜，例如，在空间输出时合束光先通过平凸透镜再通过双凹透镜。
38.全息光镊模块
39.如图2所示，1为激光器，由控制终端控制，发出激光进入光隔离器2；光隔离器2的作用是隔离反射回倒的激光防止损坏激光器，同时使激光变为线偏振光；然后激光射入3，3为半波片，通过旋转半波片使得光线偏振方向相应旋转，旋转角度满足关系：出射光偏振方向与入射光偏振方向的夹角为入射光偏振方向与半波片主轴夹角的两倍；经过旋转过后的线偏振光经过两个反射镜反射两次进入扩束器4，其作用是使激光光束直径扩大；经过扩束的线偏振光进入5，5为偏振片或者偏振分束器，偏振片仅能通过某一偏振方向的光，偏振分束器将任意入射光分为偏振方向相互正交的两束光输出，3和5配合可以进行激光强度衰减调节；出射激光经过两个反射镜反射后进入6空间光调制器，由控制终端控制空间光调制器调制光场，最终光场在样品处产生若干聚焦光斑捕获粒子，或产生移动的聚焦光斑从而移动粒子，即所谓全息光镊；空间光调制器出射光经过透镜7相当于进行一次傅里叶变换，空间隔离器8起挡板作用滤去零级光(干扰项)，经过透镜9后出射准直光束。
40.显微镜
41.如图2所示，多波长led光和全息光镊模块出射激光进入第二二向色镜12，第二二向色镜12反射多色led光和全息光镊激光，透射由多色led光激发荧光染料产生的多种荧光；13为第一显微物镜，全息光镊模块的透镜7和9构成4f系统，调制光场在样品台14处形成光阱捕获和移动微粒；14为放置待观测样品的样品台；15为第二显微物镜将白光源聚集到样品台；16为电动机械快门，用于控制曝光时间；17为白光源，是观察样品的照明光源；18为管镜，将光信号汇聚入图像采集模块。
42.图像采集模块
43.信号采集主要有两部分功能：与相机连接板结合的超快速相机用于光力矩测量；高增益相机，用于多色荧光显微成像。
44.控制终端
45.控制终端一般为计算机，与全息光镊模块通讯实现实时光场调制，和图像采集模块中的高增益相机23通讯实现实时多色成像，和图像采集模块中的超快相机20以及显微镜中的电动机械快门16通讯实现光力矩测量。
46.通过上述实施例可以利用全息光镊捕获和移动微粒，并且还可以进行多色成像。在上述实施例中捕获和移动微粒、多色成像都是实时的。
47.在本实施例中还有光力矩测量功能，照明光源白光源17发出的光通过所述第二显微物镜15进入样品台14，作为所述照明光源的预定波段的光通过所述第一显微物镜13后进入超快速相机20。比较优地，预定波段的光通过所述第一显微物镜13后，透射第二二向色镜
12、管镜18以及被反射镜19反射后进入所述超快速相机20。
48.如图2所示，在多色成像时，使用的是高增益相机，在光力矩测量的时候使用超快速相机和相机连接板，并且，在光力矩测量的时候，使用的是白光源。
49.当多色荧光显微成像时：
50.多波长led光和全息光镊模块出射激光进入二向色镜12，二向色镜12将多波长led光和全息光镊激光反射，经过第一显微物镜13后进入样品台14。注意到全息光镊模块的透镜7和9共同构成4f系统，全息光镊模块调制光场在样品台14处形成多光阱捕获和实时移动微粒；注意多色成像时第二显微物镜15和电动机械快门16不工作、白光源17不发光，多波长led光激发样品中的荧光染料发出对应的多波长荧光，多波长荧光返回第一显微物镜13后透射二向色镜12，经过管镜18后被反射镜19反射进入高增益相机23成像。
51.当光力矩测量时：
52.多波长led光源10关闭，白光源17打开经过电动机械快门16和第二显微物镜15进入样品台14作为照明光源，其中多波段的光随后经过第一显微物镜13，透射二向色镜12，经过管镜18，被反射镜19反射后被超快相机20探测成像，相机链路板21使得超快相机20每秒采集的图像数大大增加，控制终端24处理采集到的图像最终计算出光力矩。
53.控制终端一般为计算机，用于控制全息光镊以及与相机通讯处理成像信息。
54.在本实施例中，可以利用全息光镊捕获和移动微粒，其中，捕获和移动微粒、多色成像都是实时的，本实施例不仅仅可以进行多色成像，还可以进行光力矩测量。
55.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。