一种超表面物镜及其聚焦方法、荧光显微镜与流程

一种超表面物镜及其聚焦方法、荧光显微镜
1.技术领域
2.本发明涉及光学元件领域，具体涉及一种超表面物镜及其聚焦方法、荧光显微镜。


背景技术：

3.荧光显微镜是以紫外为光源，用以照射被检物体，使之发出荧光，然后在显微镜头下观察物体的形状及其所在位置。
4.荧光显微镜包括光源、滤光系统、反光镜、聚光镜、物镜、目镜和落射光装置。其中，物镜是显微镜中重要的光学部件，对物体起第一步的放大作用，因而影响着成像的质量和各项光学技术参数。物镜结构复杂，由固定在物镜筒内的多个透镜组组成，每个透镜组的由一系列不同参数的透镜胶合而成，多个透镜组相互配合有效地校正了物镜的像差。
5.在实际应用过程中，需要通过物镜镜组之间的移动以实现可调谐焦距，而物镜镜组的调节会改变物镜镜组的厚度。但传统的物镜镜组，体积大，结构复杂。


技术实现要素：

6.本发明提供一种超表面物镜及其聚焦方法、荧光显微镜，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。
7.第一方面，本技术提供一种超表面物镜，采用如下的技术方案：所述超表面物镜设置有超表面结构；所述超表面结构包括若干重复单元和衬底，若干所述重复单元设于所述衬底上且呈周期性排布；所述重复单元为亚波长微纳结构且用于在衬底上产生等离子耦合共振；所述衬底具备柔性且用于控制等离子体耦合共振的动态可调。
8.可选的，用于制成所述衬底的材料为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯、双对氯甲基苯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚对二甲苯、su-8光刻胶或聚苯乙烯中的任意一种。
9.可选的，所述亚波长微纳结构为纳米柱，所述纳米柱的形状为多棱体、圆柱体、椎体中的任一种或多种。
10.可选的，所述纳米柱由高折射率电介质材料制成。进一步，所述高折射率电介质材料为氮化硅，硫系玻璃，无定型硅，三氧化二铝、二氧化钛、氧化锌中的任意一种。
11.可选的，所述重复单元的透射率为50%以上。进一步，所述重复单元的透射率为80%以上。
12.第二方面，本技术提供一种超表面物镜的聚焦方法，包括以下步骤：s1、对所述重复单元进行参数扫描和仿真，通过改变所述重复单元的尺寸实现大于2π的相位覆盖，且所述重复单元的相位分布满足如下公式：
其中λ为入射光波长，f为物镜焦距，r为焦点与透镜中心的距离；s2、得到s1中的相位分布后，对超表面物镜进行仿真，得到对应的聚焦效果情况，使得超表面物镜的出射光会聚于焦点位置。
13.第三方面，本技术提供一种荧光显微镜，包括上述任一种超表面物镜。
14.可选的，还包括目镜、光源、载物台、滤光系统和镜筒，所述滤光系统置于镜筒中；所述滤光系统包括分光镜、滤光片和筒镜；所述滤光片用于过滤来自光源的入射光，所述分光镜用于反射来自光源的入射光，所述筒镜用于过滤进入目镜的杂散光；所述光源中出射的光线依次通过滤光片、分光镜和筒镜，分光镜将特定波长的激发光反射至超表面物镜，而对于载物台上的标本激发的荧光不产生反射，使其通过至目镜，被人眼观测。
15.可选的，所述光源采用高压汞灯光源，且照明方式为落射式或透射式。
16.与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：1、亚波长微纳结构重复单元用于在衬底上产生等离子体耦合共振以实现对入射光的电场调控，衬底用于实现等离子体耦合共振现象动态可调，且本发明所制备的超表面物镜尺寸非常小，有利于集成，荧光显微镜结构简单，步骤易行，可操作性强；2、超表面结构具有可延展性，通过外加应力改变共振单元间距，实现表面等离子耦合峰位的调节；3、由于超表面物镜的重复单元由透明纳米柱和可弯曲有机衬底构成，使得该重复单元在可见光范围内具有高折射率、低损耗的特性，因此具有较高的聚焦效率；4、本技术中的方法，通过采用对重复单元进行参数扫描和仿真，且通过改变纳米柱直径可以实现大于2π的相位覆盖，同时要求重复单元的相位分布满足公式要求，从而使相位拟合结果与理想分布基本一致，控制误差在5
°
范围内，以使得重复单元的透射率在50%以上，从而超表面物镜具有高效率的优点。
附图说明
17.图1是本技术中超表面结构的结构示意图。
18.图2是本技术中入射光为520nm可见光时不同直径重复单元的相位和透过率分布图，横坐标代表参数扫描中的纳米柱直径，在50nm~300nm范围内。
19.图3是本技术中超表面物镜的理想相位分布曲线，其中每个点都代表一种直径参数下的圆柱重复单元。
20.图4是本技术中超表面物镜的实际单元相位分布曲线图，其中每个点都代表一种直径参数下的圆柱重复单元。
21.图5是本技术中超表面物镜在xz平面上的电场分布图。
22.图6是本技术中超表面物镜在焦平面上沿x轴的电场分布图。
23.图7是本技术中荧光显微镜的光路示意图。
24.附图标记说明：1、超表面物镜；11、超表面结构；111、重复单元；112、衬底；2、目镜；3、光源；4、载物台；51、分光镜；52、滤光片；53、筒镜；7、镜筒。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明进行解释说明，实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
26.参照图1，一种超表面物镜1，其设置有超表面结构11；超表面结构11包括若干重复单元111和衬底112，若干重复单元111设于衬底112上且呈周期性排布；重复单元111为亚波长微纳结构且用于在衬底112上产生等离子耦合共振；衬底112具备柔性且用于控制等离子体耦合共振的动态可调。
27.用于制成衬底112的材料为聚二甲基硅氧烷（pdms）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯、双对氯甲基苯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚对二甲苯、su-8光刻胶或聚苯乙烯中的任意一种。这些材料具有良好的化学稳定性、透气性、透光性、弹性、生物兼容性，并能与传统半导体微纳加工集成技术很好的兼容。
28.亚波长微纳结构为纳米柱，需要指出的是，纳米柱是一种行列点阵的纳米结构，在本方案的亚波长微纳结构中，纳米柱呈周期性排布在衬底上。图1中的形状是为了便于说明其单元结构，并非唯一形状。纳米柱的形状可以为多棱体、圆柱体、椎体中的任一种或多种。本实施例中以纳米柱为圆柱体为例进行阐述，重复单元111的周期为200nm-800nm，纳米柱的高度为100nm-2000nm，纳米柱的直径为50nm-700nm。
29.纳米柱由高折射率电介质材料制成，高折射率电介质材料为氮化硅，硫系玻璃，无定型硅、三氧化二铝、二氧化钛（tio2）、氧化锌中的任意一种。
30.重复单元111的透射率为50%以上，并且通过改变纳米柱直径能够实现大于2π的相位覆盖。本实施例中，选用tio2纳米柱和pdms衬底112为例。由tio2纳米柱和pdms衬底112构成的超表面结构11在可见光范围内具有高折射率、低损耗的特性，因此具有较高的聚焦效率。
31.基于该超表面物镜的聚焦方法，包括以下步骤：s1、利用fdtd-solutions软件对重复单元进行参数扫描和仿真，要求每个重复单元的透射率达到50%以上，并且通过改变纳米柱直径实现大于2π的相位覆盖；优化得到的重复单元参数为周期p=350nm，纳米柱高度h=500nm，纳米柱直径变化范围d=50~350nm。该重复单元的相位和透过率分布如图2所示；图2是本发明在入射光为520nm可见光时不同直径重复单元的相位和透过率分布图，横坐标代表参数扫描中的纳米柱直径，在50nm~300nm范围内。
32.s2、根据传统光学理论，要将全孔径光线会聚到同一点，不同孔径入射光在焦点处相位必须相同，由此可得消球差超表面物镜的理想相位分布必须满足以下公式：其中λ为入射光波长，f为物镜焦距，r为焦点与物镜中心的距离；在本实施例中，考虑设计一个小尺寸会聚透镜并仿真，超表面物镜直径约为35um，焦距为35um，设计波长为可见光520nm；
图3和图4分别是根据该公式计算的超表面物镜相位分布拟合结果和透过率分布拟合结果。图3是本发明的超表面物镜的理想相位分布曲线，其中每个点都代表一种直径参数下的圆柱重复单元。图4是本发明的超表面物镜的实际单元相位分布曲线图，其中每个点都代表一种直径参数下的圆柱重复单元。可以看出，相位拟合结果与理想分布基本一致，误差在5
°
范围内，整个超表面物镜的透过率分布在50%以上，超表面物镜具有高效率的优点。
33.s3、得到超表面物镜的理想相位分布后，用fdtd-solutions软件对超表面物镜进行仿真，得到该超表面物镜的聚焦效果如图5和图6所示，分别为xz平面电场分布图和焦平面电场分布图。
34.图5是本发明的超表面物镜在xz平面上的电场分布图。参照图5，仿真得到的实际聚焦位置为z = 35.58um，与设计值f = 35um基本一致，误差在一个波长范围内。
35.图6是本发明的超表面物镜在焦平面上沿x轴的电场分布图。参照图6，可计算该超透镜的聚焦效率达到80%以上。
36.基于该超表面物镜的聚焦方法，通过计算重复单元的相位分布，对超表面物镜进行仿真，得到对应的聚焦效果情况，通过改变所述纳米柱的直径改变相位覆盖，且所述相位覆盖大于2π，使得超表面物镜的出射光会聚于焦点位置。
37.fdtd-solutions软件，由加拿大lumerical solutions公司出品，其基于矢量三维麦克斯维方程求解，采用时域有限差分fdtd法将空间网格化，时间上一步步计算，从时间域信号中获得宽波段的稳态连续波结果，独有的材料模型可以在宽波段内精确描述材料的色散特性，内嵌高速、高性能计算引擎，能一次计算获得宽波段多波长结果，能模拟任意三维形状，提供精确的色散材料模型。
38.荧光显微镜，如图7所示，包括超表面物镜1、目镜2、光源3、载物台4、滤光系统5和镜筒7，且滤光系统5置于镜筒7中，镜筒7呈t型。光源3采用高压汞灯光源，且照明方式为落射式或透射式，本实施例中以落射式为例。滤光系统5包括分光镜51、滤光片52和筒镜53，滤光片52用于过滤来自光源3的入射光，筒镜53用于过滤进入目镜2的杂散光，分光镜51反射来自光源3的入射光，且分光镜51与水平面的夹角可以为30
°‑
50
°
中的任一角度，本实施例中以45
°
为例。其中，分光镜51可置于镜筒7的中部，光源3中出射的光线依次通过滤光片52、分光镜51和筒镜53，将激发光打至分光镜51，分光镜51将特定波长的激发光反射至超表面物镜1，而对于标本激发的荧光不产生反射，使其通过至目镜2，被人眼观测。
39.基于该超表面物镜的荧光显微镜的实施原理为：在使用过程中，首先将样品放置在样品台上并固定，打开光源3，预热一定时间，待光源3发光趋于稳定后进行观测。通过调节光源3的强度将激发光调节到适当强度，上下调节镜筒7的位置，并同步调节施加在超表面物镜1上的应力大小来实现调焦对准，得到清晰的荧光图像。调节应力可以通过收缩圈等形式获得均匀的施力。
40.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
41.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。

技术特征：
1.一种超表面物镜，其特征在于：所述超表面物镜设置有超表面结构；所述超表面结构包括若干重复单元和衬底，若干所述重复单元设于所述衬底上且呈周期性排布；所述重复单元为亚波长微纳结构且用于在衬底上产生等离子耦合共振；所述衬底具备柔性且用于控制等离子体耦合共振的动态可调。2.根据权利要求1所述的一种超表面物镜，其特征在于：用于制成所述衬底的材料为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯、双对氯甲基苯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚对二甲苯、su-8光刻胶或聚苯乙烯中的任意一种。3.根据权利要求1所述的一种超表面物镜，其特征在于：所述亚波长微纳结构为纳米柱，所述纳米柱的形状为多棱体、圆柱体、椎体中的任一种或多种。4.根据权利要求3所述的一种超表面物镜，其特征在于：所述纳米柱由高折射率电介质材料制成。5.根据权利要求4所述的一种超表面物镜，其特征在于：所述高折射率电介质材料为氮化硅，硫系玻璃，无定型硅，三氧化二铝、二氧化钛、氧化锌中的任意一种。6.根据权利要求1所述的一种超表面物镜，其特征在于：所述重复单元的透射率为50%以上。7.如权利要求1-6任一项所述的一种超表面物镜的聚焦方法，包括以下步骤：s1、对所述重复单元进行参数扫描和仿真，通过改变所述重复单元的尺寸实现大于2π的相位覆盖，且所述重复单元的相位分布满足如下公式：其中λ为入射光波长，f为物镜焦距，r为焦点与透镜中心的距离；s2、得到s1中的相位分布后，对超表面物镜进行仿真，得到对应的聚焦效果情况，使得超表面物镜的出射光会聚于焦点位置。8.一种荧光显微镜，其特征在于：包括权利要求1-7中任一项所述的超表面物镜。9.根据权利要求8所述的一种荧光显微镜，其特征在于：还包括目镜、光源、载物台、滤光系统和镜筒，所述滤光系统置于镜筒中；所述滤光系统包括分光镜、滤光片和筒镜；所述滤光片用于过滤来自光源的入射光，所述分光镜用于反射来自光源的入射光，所述筒镜用于过滤进入目镜的杂散光；所述光源中出射的光线依次通过滤光片、分光镜和筒镜，分光镜将特定波长的激发光反射至超表面物镜，而对于载物台上的标本激发的荧光不产生反射，使其通过至目镜，被人眼观测。10.根据权利要求9所述的一种荧光显微镜，其特征在于，所述光源采用高压汞灯光源，且照明方式为落射式或透射式。

技术总结
本发明涉及光学元件领域，具体涉及一种超表面物镜及其聚焦方法、荧光显微镜。超表面物镜设置有超表面结构；超表面结构包括若干重复单元和衬底，若干重复单元设于衬底上且呈周期性排布；重复单元为亚波长微纳结构且用于在衬底上产生等离子耦合共振；衬底具备柔性且用于控制等离子体耦合共振的动态可调。本发明所制备的超表面物镜尺寸非常小，有利于集成，荧光显微镜结构简单，步骤易行，可操作性强。可操作性强。可操作性强。


技术研发人员：龚永兴
受保护的技术使用者：杭州纳境科技有限公司
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8