一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置

技术领域

本发明属于片上显微成像的技术领域，具体涉及一种反射式的片上数字全息显微镜，特别的是一种基于波导照明原理的衍射波导。

背景技术

片上显微成像由于其无透镜的实验装置，具有小型化、轻量化以及成像光路简单的优势。常规的无透镜片上显微镜大多在明场透射模式下工作。以加州大学洛杉矶分校Aydogan Ozcan团队的实验装置为例，在透射模式下，样品被放置在样品上方5-10 cm处部分相应的光源照射，样品的全息投影被紧靠样品放置的图像传感器芯片捕获，图像传感器在样品下方距离<2 mm。经过样品散射的光与未被散射的光发生干涉，形成样品的同轴全息图，进而记录在图像传感器上。在片上显微成像装置中，将样品与图像传感器贴近放置是为了保证成像系统的视场和分辨率。然而，由于样品与图像传感器之间的距离太小，实现反射模式下的片上显微成像很困难。

发明内容

本发明旨在提供具有偶入光栅区和偶出光栅区的波导片，使光线能经过偶入光栅区耦合至波导，在光波导内反射自偶出光栅区偶出，本发明解决的另一问题是通过在偶出光栅区上载玻片，并将照明放置在波导片上方的载玻片的上方，图像传感器放置在载玻片及波导片的正下方，波导片偶出的光线经过载玻片内的样品反射形成物光记录在图像传感器上，照明光照作为参考光照射到图像传感器上，达到反射式片上显微成像，形成样品的同轴全息图。

本发明的技术方案是：一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置，包括波 导片、载玻片、图像传感器、照明光源，其中，所述波导片的上界面设有偶入光栅区和偶出光 栅区，所述载玻片放置在偶出光栅区的上界面，所述图像传感器布置在波导片偶出光栅区 的正下方，与载玻片的下界面距离不大于2mm，所述照明光源设置在波导片上方50~100nm的 位置处，使照明光源发出的光线入射到偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧和偶入光栅区中 线上时，与偶入光栅区的法线分别形成入射夹角

所述照明光源以入射夹角

本发明的有益效果为：

1.照明光源以入射夹角

2. 照明光源以入射夹角

3. 该衍射光从偶出光栅区GO上界面垂直出射，照射载玻片中的样品后，全反射到 波导片上的光线与波导片上界面法线的夹角为0，即小于波导片下界面的全反射角

附图说明

图1为本发明的一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置的结构图；

图2为本发明的波导传光原理图；

图3为本发明的波导传光参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1，一种基于波导片的反射式片上数字全息显微装置，包括波导片1、载玻片2、图像传感器3、照明光源4，其中，波导片1的上界面设有偶入光栅区GI和偶出光栅区GO，载玻片2放置在偶出光栅区GO的上界面，图像传感器3布置在波导片1偶出光栅区GO的正下方，与载玻片2的下界面距离不大于2mm，照明光源4设置在波导片1上方50~100nm的位置处，如图2，照目光源4照射波导片1的偶入光栅GI区，耦入波导片1的部分衍射光在波导片1内发生全反射，在波导片1的偶出区光栅GO将光线导出，照射放置在波导片1上方的载玻片2中的样品，经过样品反射的光记录在图像传感器3上，同时照明光照作为参考光照射到图像传感器3上，达到反射式片上显微成像，形成样品的同轴全息图的目的。

如图3，使照明光源发出的光线入射到偶入光栅区远离偶出光栅区的一侧（A点）和 偶入光栅区中线（C点）上时，与偶入光栅区的法线分别形成入射夹角

根据波导传光原理，照明光源4照射波导片1的偶入光栅区GI，经光栅衍射后，其一级衍射光的衍射角如满足波导片1下界面材料的全反射条件，将沿着波导片传播，此时波导片1上下界面相当于两个镜面，对其一级衍射光进行多次反射成像。当光传播到偶出光栅区GO处时，被偶出光栅区GO衍射导出。

如图3，从照明光源4发出的光入射到偶入光栅区GI最左侧A点的光线经衍射后，其在波导片1上界面内的一级衍射角

下界面全反射角为

满足

设偶入光栅区GI的周期为

得到：

入射到偶入光栅区GI中心C点的光线衍射方程为：

设偶出光栅区GO的周期为

如要衍射光从偶出光栅区GO表面垂直出射，则令衍射角

将式（5）和式（2）代入上式，得：

该衍射光从偶出光栅区GO上界面垂直出射，照射载玻片中的样品后，全反射到波 导片上的光线与波导片上界面法线的夹角为0，即小于波导片1下界面的全反射角