一种自动化采集图像的偏振复用超构显微成像器件

1.本实用新型涉及一种光学显微成像器件。


背景技术：

2.近年来，得益于纳米加工技术的发展，超构表面体现出了强大的光场调控能力，超构透镜作为超构表面的一种特殊的相位调控，在成像方面逐渐向实际应用迈进。目前基于超构透镜与cmos图像传感器集成的成像系统(miid)停留在实验室光路阶段，需要庞大的光学平台以及繁杂的各种光学元件来构建成像光路，例如使用投影仪与准直透镜产生准直性较好的非相干光源，用线偏振片与四分之一波片的组合来对光产生圆偏振态调制，图像采集的的方式也是采用cis芯片配套的软件进行手动采集，导致图像采集过程繁琐，而现有的围绕miid设计的集成化成像器件限制了进行图像采集的样品载玻片厚度，能够进行图像采集的样品厚度受限。


技术实现要素：

3.实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种全自动化采集图像的偏振复用超构显微成像器件。
4.技术方案：本实用新型所述的一种自动化采集图像的偏振复用超构显微成像器件，外壳内放置待观测样品，样品一侧设有用于进行显微成像的成像模块，另一侧设有用于提供偏振光源的光源模块；所述光源模块包括电路板，电路板的led灯珠表面贴有偏振膜，用于将自然光起偏成圆偏振光；电路板前方正对圆偏振膜处设有液晶盒，通过电路板给液晶的两个电极之间分别施加不同的电压，用于切换所述圆偏振光的偏振态。
5.所述样品由样品架夹持，所述样品架背面与样品贴合处设有弹性元件，用于夹持不同厚度的样品载玻片。
6.所述样品架底部设有滑块，所述滑块与导轨配合，用于移动样品以靠近或远离所述成像模块；样品架底部旋接有螺丝，螺丝一端伸出外壳，旋转螺丝带动样品架沿所述导轨移动。所述螺丝贯穿固定在外壳内部的环形磁铁以及外壳外部的轴承，轴承上设有铁磁材质的旋钮，用于转动螺丝，环形磁铁与旋钮相互吸附；便于在通过旋转旋钮调整样品架与光源模块和成像模块之间的距离进行对焦。
7.所述液晶盒置于液晶盒支架内，所述液晶盒支架朝向样品和电路板的两侧设有通光孔。
8.所述成像模块包括图像传感器和超构透镜阵列，图像传感器的靶面上通过贴合精准厚度的光学胶连接所述超构透镜阵列。所述图像传感器所在的cis芯片上的接口引出排线与所述电路板连接，用于对电路板进行供电和控制；所述cis芯片的四个角部通过沉头螺丝固定在外壳上，防止螺丝与超构透镜衬底表面的高度差大于成像的物距，从而限制对焦。
9.所述外壳包括与液晶盒支架一体化的顶板、底板、前板、后板和两块侧板，所述前板和后板与样品平行；所述电路板固定在前板上，所述图像传感器固定在后板上，所述导轨
固定在底板上。
10.工作原理：基于偏振复用的超构透镜阵列由两组透镜组成，每组透镜仅工作在自己相应的圆偏振光下，相互交错排列以弥补同组子透镜间的视场盲区。基于此，为了对透镜阵列所覆盖的区域成像，需要依次用两种正交圆偏振光进行照明，分别获取两种偏振态下两组透镜所成的像。当cis芯片通过数据线与pc连接后，在pc端可以观察到实时画面预览，先通过旋转旋钮对焦，再通过抽拉样品调整到合适的观测区域；pc通过 cis芯片控制电路板输出电压u1给液晶盒，此时液晶的两个电极在交变电势差u1的作用下起到全波片的作用，因此led灯通过贴在其上方的左(右)旋圆偏振膜所产生的左 (右)旋圆偏振光通过液晶盒后依旧保留左(右)旋圆偏振态，被待观测的样品调制振幅后，照射到超构透镜阵列表面，左(右)旋圆偏振对应的这组子透镜正常工作，成像到cmos图像传感器上。当pc端发出“切换偏振态”的指令使得电路板输出电压u2给液晶盒，此时液晶起到了半波片的作用，使得通过的左(右)旋圆偏振光完美地转换成了右(左)旋圆偏振光，这种情况下，右(左)旋圆偏振对应的这组子透镜将其所覆盖的区域的待观测样品进行成像。采集完两组图像后，pc端自动进行一个融合处理，还原出整个透镜阵列所覆盖的区域的待观测样品的全貌。
11.有益效果：本实用新型与现有技术相比的优点在于：(1)自动切换偏振态，实现全自动化图像采集：通过给液晶盒间施加上不同的电压使得液晶起到两种波片的作用，从而实现两种圆偏振光的切换，以配合基于偏振复用原理的成像模块使用，相较于传统已有的成像光路，这种方法使得图像采集的全过程无需进行人为的机械移动，可以由交互程序终端进行偏振态的切换，从而实现了全自动化的图像采集，大大提升了便捷性； (2)能够夹持不同尺寸的样品载玻片，尤其是可以在保证样品载玻片能够稳定放置的情况下，支持对分辨率板的夹持，以便直接在器件中标定分辨率与成像效果。
附图说明
12.图1为本实用新型的显微成像器件整体结构示意图；
13.图2为图1的a-a剖视图；
14.图3为本实用新型的光源模块结构图；
15.图4为本实用新型的样品模块结构图；
16.图5为本实用新型对分辨率板的成像结果图；
17.图6为本实用新型的成像模块结构图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。
19.如图1所示为本发明所述的显微成像器件的整体结构图，如图2所示为图1的a-a 剖视图，显微成像器件的外壳包括顶板4、底板13、前板8和后板20，前板8和后板 20之间依次设置有光源模块、样品模块和成像模块，外壳尺寸为37mm*34mm*43.5mm。
20.如图3所示，光源模块包括电路板、led灯珠1、偏振膜2和液晶盒6；led灯珠 1上方集成圆偏振膜2，用于将自然光起偏成圆偏振光；电路板面积为30mm
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30mm，通过四角上的通孔被m2的螺丝固定在前板8的螺丝柱上，电路板背面还设有i/o、电源一体化接口，前板8上设有与i/o、电源一体化接口相对应的凹槽，预留i/o、电源一体化接口走线空间。顶板4与
液晶盒支架3一体化设计，液晶盒支架3上设有通光孔5，放置在液晶盒支架3中的液晶盒6用于进行两种正交圆偏振态的切换。本实施例中，给电路板上5v直流电后，电路板正面的led灯珠1可以产生中心波长在460nm，带宽在 20nm左右的自然光，同时电路板也可以接收来自cis芯片的控制信号，以在液晶盒6 所需的两种电压间进行切换；电路板给液晶的两个ito(掺锡氧化铟，indiumtinoxide) 电极7分别施加不同的交流电，可以使液晶盒6起到全波片、半波片的作用，本实施例中给液晶盒6施加的方波电压频率为1khz，峰峰值处于2vpp～5vpp之间。
21.如图4所示，样品模块中，待观测的样品18由样品架17夹持，样品架17与样品 18贴合处设有簧片19，可以保证既能够夹持较厚的分辨率板，又能够夹持较薄的生物样品载玻片而不至于松动，以便直接在器件中标定分辨率与成像效果，对分辨率板的成像效果如图5所示。
22.改变样品18的夹持位置可以调整观测区域，样品架17底部由四颗m1.6的螺丝固定在两个滑块15上，滑块15可以在配套的导轨14上滑动，使样品18靠近或远离成像模块；两根导轨14由四颗m1.6的螺丝平行地固定在底板13上；样品架17底部还设有与螺丝10配合的螺纹孔16，螺丝10由外而内依次贯穿轴承9、前板8、环形磁铁12，且通过轴承9实现了相对于前板8的无位移无摩擦旋转，环形磁铁12固定在前板8的内侧，用于吸附铁磁性旋钮11，转动旋钮11使螺丝10旋转，带动样品架17沿导轨14 滑动。
23.如图6所示，成像模块为cmos图像传感器与超构透镜阵列25集成形成的miid，图像传感器的靶面24上通过贴合精准厚度的光学胶25连接所述超构透镜阵列26，图像传感器所在的cis芯片同时具有可被开发利用的其他接口，接口23是控制信号与电源输出端，从接口23引出排线与电路板的i/o、电源一体化接口连接，可以对电路板进行供电与控制。cis芯片面积为30mm
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30mm，通过四角上的通孔被m2的沉头螺丝固定在后板20的螺丝柱上，沉头螺丝有效防止了与超构透镜衬底表面的高度差大于成像的物距，防止限制miid的对焦；后板20在cis芯片的usb接口22对应位置开孔作为数据线接口21。