本发明属于偏振显微成像领域，具体涉及一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法。该装置及方法主要用对纳米粒子的近场偏振显微成像探测，具有近场偏振调制激发、多偏振态参数反演以及全偏振态庞加莱球映射的特点。
背景技术：
对纳米粒子进行显微成像，当直接引入近场照明时，样品表面的精细结构会被动地将近场倏逝波转化为传播波。利用直径小于入射波长的光纤纳米锥尖产生的近场倏逝波照明，然后在远场采集转换后的传播波，可以进行超分辨率成像。目前偏振显微成像主要采用远场光波照明与远场收集探测的方式，对于几十个纳米尺寸级别的粒子，由于衍射极限的限制，该方法存在分辨率不足的缺点。公开号cn110849818a申请专利的偏振参数装置采用远场照明，但不能够收集纳米粒子的近场倏逝波的传播信息。公开号cn106707484a申请专利采用近场照明的方法，缺点是不具有偏振调制和多参数信息反演的能力。
技术实现要素：
为了收集样品的近场精细结构信息和偏振参数信息，并对纳米粒子样品的全偏振态信息进行庞加莱球映射。本发明提供了一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法，该技术方案是这样实现的：
一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法，用于纳米粒子的偏振显微成像检测，该装置由光源调制模块、照明与收集模块、检偏与探测模块、控制与图像处理模块组成。所述的光源调制模块由激光器、保偏光纤、电控偏振调制器组成；所述的照明与收集模块由保偏光纤、三维位置控制器、纳米光纤锥尖、样品、载玻片、倒置显微物镜组成；所述的检偏与探测模块由1/4波片、线性偏振片、成像透镜、ccd探测器组成。
所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的光源调制模块采用光纤连接式电控偏振调制器。
所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的光源调制模块采用电控偏振调制器调制入射光在yz平面为总共n个沿z轴不同角度的线偏光出射，角度最大范围可从沿z轴0°开始绕x轴旋转到360°，间隔为(θmax/n)°。
所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的光源调制模块的光纤均采用保偏光纤。
所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的照明与收集模块采用光纤纳米锥尖作为纳米粒子的照明光源，利用光纤纳米锥尖出射的近场线偏振光照射纳米粒子样品，实现近场激发与远场收集成像。
所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的检偏探测模块的1/4波片的快轴在xy平面沿x轴呈0°，线偏振片快轴在xy平面沿x轴呈45°。
所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的控制模块，利用电压信号同步控制激光器、电控偏振调制器和ccd探测器。开启激光器的同时，开启电控偏振调制器和ccd，每个电压信号使得入射线偏振光在yz平面绕x轴旋转(θmax/n)°，并同步ccd探测器采集一幅图像。
所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的偏振成像方法，其特征在于控制电控偏振调制器在yz平面等间隔旋转通过总的θmax＝360°，总共n步，第k步的旋转角度θk＝(k-1)*θmax/n，k＝1，2，3…，n。第k步探测的光强ik：
ik＝a0 a1sin2θk a2cos2θk
进一步的，可以写为：
进一步的，可以获得三个偏振参数图像：去极化强度idp，消光角
其中：idp＝a0
进一步的，利用琼斯矩阵和穆勒矩阵之间的关系，由上述偏振参数得到斯托克斯参数s0、s1、s2、s3矩阵如下：
其中：
ey＝extan(α)
上述参数如附图2所示。
进一步的，利用斯托克斯矢量进行庞加莱球映射，进而可以对纳米粒子样品的偏振调制散射场进行全偏振态信息表征。
其中，i为光强；p为偏振度；u单位向量，其定义了方位角θ(0≤θ≤π)和极角x(-π/4≤χ≤π/4)。如附图3所示。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、利用偏振态可调制纳米光纤锥尖发射近场激发光，实现近场照明，使得携带纳米粒子精细结构的高频信息得以向外传播。近场激发、远场检偏收集的方法提高了图像采集效率，适合对纳米粒子的快速偏振显微成像。
该方法能够获得纳米粒子样品的去极化强度、消光角、相位差和斯托克斯矢量信息，可实现多参数偏振图像获取和全偏振态庞加莱球的映射。
附图说明
图1是本发明装置图，i为光源调制模块；i为光源调制模块：1：激光器、2：保偏光纤、3：电控偏振调制器、4：保偏光纤；ii照明收集模块：5：三维位置控制器、6：纳米光纤锥尖、7：载玻片、8：纳米粒子、9：倒置显微物镜；iii检偏探测模块：10：1/4波片、11：线偏振片、12：成像透镜、13：ccd探测器；iv为控制与图像处理模块。
图2是本发明偏振椭圆描述中的参数分布示意图；
图3是本发明是利用斯托克斯矢量进行全偏振态庞加莱球映射的原理图说明；
图4是本发明单个金纳米粒子、单个金纳米粒子与单个病毒粒子结合的
图5是本发明是单个金纳米粒子、单个金纳米粒子与单个病毒粒子结合的|sinδ|偏振参数；
图6是本发明单个金纳米粒子、单个金纳米粒子与单个病毒粒子结合的全偏振态庞加莱球映射图；附图4～附图6是对单个金纳米粒子、单个金纳米粒子与单个病毒颗粒子结合的dgtd仿真软件模拟图，不同参数的散射信息均为10mm远处的远场收集图像。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
本实施例采用的激光器(1)波长532.8nm；光纤纳米锥尖直径(5)为310nm，锥尖外包层al膜厚度70nm，亚包层cr膜20厚度为nm，纤芯直径为115nm；保偏光纤(2)(4)均采用单模。
该实施例的具体步骤如下所述：
step1、控制与图像处理模块(iv)的控制模块发出控制信号由三维位置控制器(5)控制光纤纳米锥尖(6)移动到距离纳米粒子(8)10nm～50nm处；
step2、控制与图像处理模块(iv)的控制模块发出控制信号，启动激光器(1)和电控偏振调制器(3)以及ccd探测器(13)。
step3、检偏探测模块(iii)的1/4波片(10)在xy平面与x轴呈45度方向，线性偏振器(11)在xy平面与x轴呈0度方向。
step4、在第一个电压触发信号下，电控偏振调制器(3)使得入射光调制为在yx平面与z轴呈0度，ccd(13)同步采集一幅偏振光强图像。
step5、第k个电压触发信号下(k＝1，2，3......，n)，其中总调制步数n＝10，电控偏振调制器(3)使得入射光调制为在yz平面与z轴呈θk＝(k-1)*180/10度，ccd(13)同步采集一幅偏振光强图像。
step6、获取的第k步探测的光强ik：
ik＝a0 a1sin2θk a2cos2θk
其中：
上述参数可以写为：
step7、由图像处理模块可以获得三个偏振参数图像：去极化强度idp，消光角
step8、利用琼斯矩阵和穆勒矩阵之间的关系，由上述偏振参数得到斯托克斯参数s0、s1、s2、s3矩阵如下：
其中：
ey＝extan(α)
上述参数如附图2所示。
step9、利用斯托克斯矢量进行庞加莱球映射，进而对纳米粒子样品的偏振调制散射场进行全偏振态信息表征。
其中i为光强；p为偏振度；u单位向量，其定义了方位角θ(0≤θ≤π)和极角x(-π/4≤χ≤π/4)。如附图3所示。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
1.一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法，用于纳米粒子的近场偏振显微成像探测，该装置由光源调制模块、照明与收集模块、检偏与探测模块、控制与图像处理模块组成。所述的光源调制模块由激光器、保偏光纤、电控偏振调制器组成；所述的照明与收集模块由保偏光纤、三维位置控制器、纳米光纤锥尖、样品、载玻片、倒置显微物镜组成；所述的检偏与探测模块由1/4波片、线性偏振片、成像透镜、ccd探测器组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法，其特征在于所述的光源调制模块的光纤均采用保偏光纤，能够使得不同角度的线偏振态光波进行保偏传输，电控偏振调制器采用光纤式连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法，其特征在于所述的光源调制模块采用电控偏振调制器调制入射光为总共n个不同角度的线偏光出射，按照等间隔角度旋转，角度最大从沿竖直方向z轴0°绕x轴旋转到θmax＝360°。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法，其特征在于所述的照明与收集模块采用纳米光纤锥尖作为纳米粒子的照明光源，利用纳米光纤锥尖出射的近场线偏振光照射纳米粒子样品，实现对样品的近场激发。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法，其特征在于所述的检偏与探测模块的1/4波片的快轴在xy平面且沿x轴呈45°，线偏振片的快轴在xy平面且沿x轴呈0°。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法，其特征在于所述的控制与图像处理模块的控制系统，其利用电压信号同步控制激光器、电控偏振调制器和ccd探测器。开启激光器的同时开启光纤式电控偏振调制器和ccd,每个电压信号使得入射线偏振光在yz平面等间隔旋转(θmax/n)°，并同步ccd探测器采集一幅图像。
7.基于权利要求1至6任意一项所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的偏振参数成像方法，其特征在于所述的图像处理模块，当电控偏振调制器调制线偏光旋转通过总的θmax(0°～360°)，总共n步，第k步的旋转角度θk＝(k-1)*θmax/n，k＝1,2,3…,n。第k步探测的光强ik：
ik＝a0 a1sin2θk a2cos2θk
其中：
上述参数可以写为：
通过计算可以获得三个偏振参数图像：去极化强度idp，，消光角
其中：
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的偏振参数成像方法，其特征在于利用琼斯矩阵和穆勒矩阵之间的关系，由上述偏振参数得到斯托克斯参数s0、s1、s2、s3矩阵如下：
其中：
ey＝extan(α)
上述参数如附图2所示。
9.根据权利要求8所述的一种基于光纤纳米锥尖的偏振调制式显微成像装置及方法的偏振参数成像方法，其特征在于利用斯托克斯矢量进行庞加莱球映射，进而对纳米粒子样品的偏振调制散射场进行全偏振态信息的表征。
i＝s0
i为光强；p为偏振度；u单位向量，其定义了方位角θ(0≤θ≤π)和极角χ(-π/4≤χ≤π/4)。如附图3所示。
技术总结