基于一维光子晶体的暗场显微成像系统

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基于一维光子晶体的暗场显微成像系统

♦ 实验介绍

光学显微镜是人类认识和研究微观世界最直接有效的手段，被广泛应用于生命科学、物质科学等领域。常规的透射式明场显微镜由于成像过程中照明光和被测物体散射（透射）光被同时收集，导致显微图像的信噪比、对比度较低。

暗场显微镜通过将照明光斜入射到被测样品，且照明光束入射角大于成像物镜的收集角度，成像相机只能收集被测物体的散射光；直接透射光无法穿过成像物镜，进而显著降低显微图像的背景噪声，实现高信噪比的成像探测。

系统实物图

♦ 知识点

明\暗场成像；一维光子晶体的能带结构；成像对比度；显微系统放大率

♦ 涉及课程

基础光学；薄膜光学；几何光学；图像处理

♦ 实验内容

（1）学习明场和暗场光学显微镜的系统结构和工作原理；

（2）了解利用一维光子晶体照明实现暗场光学显微成像的基本原理；

（3）测量在激光不同入射角度下一维光子晶体的透光率；

（4）模拟散射照明条件，测量一维光子晶体的数值孔径；

（5）利用一维光子晶体的暗场照明环境观测生物样品。

♦ 实验原理

基于一维光子晶体的暗场显微成像系统是利用一维光子晶体独特的光场调控特性，实现大角度的暗场照明。实验系统由三维位移台、30 mm笼式结构支架、反射镜、笼式结构反射镜架、笼式杆、管镜、管镜固定架、样品台、物镜、自制一维光子晶体照明器、相机组成。

原理示意图

一维光子晶体照明器由LED光源、散射层、一维光子晶体组成。LED光经过散射层后，其出射方向会包含各种角度。一维光子晶体对不同角度的入射光进行过滤筛选，最终会在其表面所有位置形成空心环形光锥照明光场并照明样品。通过选择合适数值孔径的成像系统就可以形成高对比度的暗场成像。其中一维光子晶体的能带计算可以通过转移矩阵法来设计。若将该装置的一维光子晶体移除，就可以实现传统的明场成像。

♦ 实验效果

明场成像（左）与暗场成像（右）

♦ 技术指标

（1）同轴框架结构：高精度不锈钢杆主体框架模块，杆间距 30mm，杆数量 4 根；三维转接多节点模块；叉式压板不锈钢立柱支撑模块；同轴框架可搭载移动式 Φ25.4mm 镜框、LED 光源架、分光棱镜架等主要光学原件支撑架。

（2）半导体激光器：波长635nm，输出功率不小于10mW。

（3）旋转台：台面Φ60mm，调节范围0-360°，微调分辨率10’。

（4）多孔固定板：长*宽 600*300mm，M6 螺纹孔，孔间距 25*25mm，表面氧化黑处理。

（5）LED照明光源：红绿蓝三色LED照明光源，功耗 1W，亮度可调。

（6）反射镜组件：K9 基底，表面镀高反铝膜，Φ25.4mm，R>95%。

（7）中继成像透镜组件：K9 基底，表面镀增透膜，Φ25.4mm，f=150mm。

（8）显微成像系统：10× 60×，长工作距平场设计，畸变小。

（9）X、Y、Z 平移组件：二维移动行程 25mm，系统分辨率 1μm，最小读数 10um，台面 65×65mm。

（10）CMOS 数字相机组件：分辨率 1280×1024，量化深度 8bit，像素大小 5.2μm×5.2μm，USB2.0 通信接口；最小曝光时间 119μs。

（11）一维光子晶体：外形尺寸25mm，出射数值孔径大于数值孔径0.8@635nm。

（12）功率计组件：工作波长635nm，量程2μW、20μW、200μW、2mw、20mW、200mW六档可选，分辨率 0.01μW，数显。

（13）专用接收屏：表面喷塑哑光设计，100*100mm，最小刻度1mm。

♦ 系统部分组件

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