基于微波導的超分辨顯微成像方法和裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術公開了一種基于微波導的超分辨顯微成像方法，包括以下步驟：1)將超連續(xù)譜激光耦合導入微波導，并將微波導放置在具有亞波長細節(jié)的樣品表面，表面細節(jié)對所述微波導內傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生調制作用，形成散射光；2)收集所述散射光信號，并成像得到相應的圖像；3)對所述步驟2)中的圖像進行頻譜分析，得到頻譜分布圖；4)將所述頻譜分布圖進行頻移重構，并反演得到具有亞波長分辨能力的樣品表面圖像。本發(fā)明專利技術還公開了一種基于微波導的超分辨顯微成像裝置。本發(fā)明專利技術分辨率精細度高，功能擴展性強，可以有效應用于樣品表面亞波長細節(jié)的超分辨顯微成像。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及微觀觀測測量領域，尤其涉及一種基于微波導的超分辨顯微成像方法和裝置。
技術介紹
納米技術與生物技術是21世紀發(fā)展最迅速和熱門的科學領域。納米技術應用廣泛，包括I IOOnm尺度內的成像、測量、加工、操縱等。許多重要的生物體比如葡萄糖、抗體、病毒等都處于這個尺度范圍內，研究這些微小物體的需求推動了高分辨率顯微成像技術的發(fā)展。反過來，超分辨顯微術的發(fā)展也推動了整個生命科學的進步。相比其他的顯微技術，光學顯微技術的一大優(yōu)勢是可以對處于自然狀態(tài)的活細胞進行研究。自世界上第一臺光學顯微鏡問世以來，提高光學顯微成像系統(tǒng)的分辨能力及測量 范圍一直是眾多科學家致力研究的重要科學問題，特別是近年來，隨著物理學、生物醫(yī)學、微電子學和材料學等學科的迅速發(fā)展，對這一問題的研究變得尤為迫切，主要體現(xiàn)在物理學的發(fā)展要求人們能觀測到微觀世界中原子的大小；分子生物學的發(fā)展要求人們能觀測到活體細胞這種高散射物質內小到納米尺度的單分子；微電子技術的發(fā)展要求人們能檢測到超大規(guī)模集成電路中窄到數(shù)十納米的線寬尺寸；納米新材料的出現(xiàn)要求人們能觀測到納米尺度大小的納米顆粒等，這些現(xiàn)代科學的新進展，更加促使人們不斷地去探索高分辨顯微成像的新方法和新技術。由于衍射極限的存在，傳統(tǒng)的寬場光學顯微鏡橫向和縱向的分辨率分別僅約為230nm和lOOOnm。二十世紀三十年代發(fā)展起來的電子顯微成像技術及八十年代初崛起的各類非光學的探針掃描顯微成像技術具有納米甚至更高的分辨能力，但它們在不同程度上存在著系統(tǒng)結構復雜、成像檢測環(huán)境要求苛刻及樣品處理繁瑣等困難，特別是不能獲得樣品重要的光學信息(如反射率、折射率、偏振態(tài)及光譜等信息)，因而無法完全取代光學顯微成像的地位。隨著現(xiàn)代激光技術、計算機技術、精密機械及電子技術的迅猛發(fā)展，超分辨的光學顯微成像技術(Super-resolution Optical Microscopy, SR0M)應運而生。根據(jù)原理不同，現(xiàn)有技術可以分為兩大類一類是以固體浸沒透鏡(Solid Immersion Lens, SIL)技術為代表的近場顯微技術；另一類則是以激發(fā)抵制損耗顯微鏡(Stimulated EmissionDepletion, STED)為代表的熒光顯微技術。然后，兩種現(xiàn)有技術都存在著一定的缺陷前者雖然使用寬場照明，但很難將其分辨率壓縮在IOOnm以下；后者則是基于熒光顯微技術，無法使用于非熒光樣品上，因此使用范圍受到限制。
技術實現(xiàn)思路
為了克服現(xiàn)有技術的不足，本專利技術以微波導為核心，提供了一種實現(xiàn)遠場超分辨的方法，實現(xiàn)了基于近場照明、遠場成像的超分辨顯微圖像獲取?！N基于微波導的超分辨顯微成像方法，包括以下步驟I)將超連續(xù)譜激光耦合導入微波導，并將微波導放置在具有亞波長細節(jié)的樣品表面,表面細節(jié)對所述微波導內傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生調制作用，形成散射光；2)收集所述散射光信號，并成像得到相應的圖像；3)對所述步驟2)中的圖像進行頻譜分析，得到頻譜分布圖； 4)將所述頻譜分布圖進行頻移重構，并反演得到具有亞波長分辨能力的樣品表面圖像。為實現(xiàn)大面積樣品觀察，用所述微波導對樣品表面進行掃描，通過步驟2)得到單幀圖像序列，將單幀圖像拼接后得到相應的圖像，然后經(jīng)步驟3)和步驟4)得到大畫幅的具有亞波長分辨能力的樣品表面圖像。頻譜分析，是指對圖像強度分布進行傅里葉變換，得到其相應的傅里葉頻譜。反演，是指對傅里葉譜頻進行反傅里葉變換，得到相應的圖像強度分布。本專利技術的工作原理是將微波導與商用光纖進行類比。由于微波導是單層介質可見光波導，因此僅具有商用光纖芯層的作用，一般將其周圍的空氣介質當作傳統(tǒng)商用光纖的包層而構成一個階躍式光纖結構。當激光被導入微波導后，一部分光能量不能完全被微波導所束縛，而是在微波導表空氣的交界面上形成與原有光傳播方向同向的倏逝場。由于倏逝場本身極易受到擾動而使光能量產(chǎn)生散射與耦合現(xiàn)象。因此，當將微波導放置于具有亞波長細節(jié)的樣品表面時，在微波導中傳輸?shù)墓鈭鰰艿綐悠繁砻鎭啿ㄩL細節(jié)的調制而產(chǎn)生散射作用。具體來說，由于頻譜面上較大的分量對應于圖像的精細結構，因此，具有亞波長細節(jié)的樣品表面圖像的傅里葉頻譜中，高頻分量的比重很大。通常情況下，由于該部分高頻分量在數(shù)值上遠遠大于一般顯微鏡的傳輸帶寬，因此無法被映射到遠場，造成樣品細節(jié)無法分辨。然而，當其靠近倏逝場并受到其照射時，會產(chǎn)生“頻移”現(xiàn)象，即高頻分量會通過近場衍射作用被轉變?yōu)榈皖l分量，在數(shù)學上即表現(xiàn)為對應頻譜值的減小。可以用如下公式來表不:k/ = kA-ke < kA其中'表示低頻分量，kA為原有高頻分量，ke為倏逝場光波數(shù)。當高頻分量被轉變?yōu)榈皖l分量后，即可以被傳輸?shù)竭h場而為感光元件所接收。因此，遠場散射信號中即攜帶有原有的高頻信息。此時，對由感光元件記錄的圖像進行傅里葉變換進行得到頻譜圖，再通過公式' +ke即可將原有頻譜還原，進而通過傅里葉反變換得到相應的圖像信息。本專利技術還提供了一種基于微波導的超分辨顯微成像裝置，包括用于產(chǎn)生超連續(xù)譜激光的超連續(xù)光源；用于放置樣品的樣品臺；用于傳輸超連續(xù)譜激光的微波導；將所述超連續(xù)譜激光耦合進所述微波導的耦合器；用于收集散射光信號的顯微鏡；用于將所述顯微鏡收集的光信號進行成像的寬場感光元件；以及用于對所述寬場感光元件形成的圖像進行頻譜分析，并得到最終的樣品表面圖像的計算機。所述超連續(xù)光源的譜寬應大于200nm。為了減小光源相干性對系統(tǒng)性能帶來的影響，選用譜寬在200nm以上的超連續(xù)光源作為系統(tǒng)激光光源。所述微波導為截面直徑在I 3 μ m的微光纖。微波導的截面直徑在I 3 μ m之間，可以是微光纖、矩形微波導，也可以是微型全反射器以及表面等離子體器件等，優(yōu)選為截面直徑在I 3 μ m的微光纖。所述的顯微鏡，是指配置有數(shù)值孔徑NA = O. 8 O. 95、放大率為100倍的非浸沒式顯微物鏡鏡頭的光學顯微鏡，優(yōu)選為NA = O. 95。由于散射光線自身發(fā)散角很大,為保證收集效率，應配置大數(shù)值孔徑顯微鏡頭。所述的寬場感光元件，可以有多種技術方案。如電荷耦合器件(CCD)、膠片等，優(yōu)選為(XD，以方便進行數(shù)字圖像處理。所述微波導為單個或陣列的多個。 為實現(xiàn)大面積樣品觀察，可以將單個微波導在樣品表面進行橫向掃描，得到單幀圖像序列，將單幀圖像拼接后，經(jīng)計算機得到具有亞波長分辨能力的樣品表面圖像；也可以由多個并行微波導組成微波導陣列，同時導入超連續(xù)譜激光，然后根據(jù)本專利技術的方法得到具有亞波長分辨能力的樣品表面圖像。相對于現(xiàn)有技術，本專利技術具有以下有益的技術效果(I)分辨率精細度高，可以獲取橫向75nm的超分辨圖像；(2)結構簡單，成本低廉；(3)采用寬場成像方式，圖像獲取速度遠高于掃描成像方式，可以獲取觀察樣品的即時動態(tài)圖像；(4)可根據(jù)需要擴大視場范圍，方便靈活；(5)可以與其他顯微方式配合使用，功能擴展性強。附圖說明圖I為實現(xiàn)本專利技術基于微波導的超分辨顯微成像裝置的結構原理圖。圖2為本專利技術中光在微波導中傳輸時的模式示意圖。圖3為本專利技術中頻移原理圖。圖4為本專利技術中微波導陣列的結構原理圖。具體實施例方式下面結合附圖和實施例來詳細說明本專利技術，但本專利技術并不僅限于此。圖I所示為本專利技術基于微波導的超分辨顯微成像系統(tǒng)的結構原理圖。如圖I所示，一中本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種基于微波導的超分辨顯微成像方法，其特征在于，包括以下步驟：1)將超連續(xù)譜激光耦合導入微波導，并將微波導放置在具有亞波長細節(jié)的樣品表面，表面細節(jié)對所述微波導內傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生調制作用，形成散射光；2)收集所述散射光信號，并成像得到相應的圖像；3)對所述步驟2)中的圖像進行頻譜分析，得到頻譜分布圖；4)將所述頻譜分布圖進行頻移重構，并反演得到具有亞波長分辨能力的樣品表面圖像。

【技術特征摘要】
1.一種基于微波導的超分辨顯微成像方法，其特征在于，包括以下步驟 1)將超連續(xù)譜激光耦合導入微波導，并將微波導放置在具有亞波長細節(jié)的樣品表面，表面細節(jié)對所述微波導內傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生調制作用，形成散射光； 2)收集所述散射光信號，并成像得到相應的圖像； 3)對所述步驟2)中的圖像進行頻譜分析，得到頻譜分布圖； 4)將所述頻譜分布圖進行頻移重構，并反演得到具有亞波長分辨能力的樣品表面圖像。2.如權利要求I所述的基于微波導的超分辨顯微成像方法，其特征在于，用所述微波導對樣品表面進行掃描，通過步驟2)得到單幀圖像序列，將單幀圖像拼接后得到相應的圖像。3.一種基于微波導的超分辨顯微成像裝置，其特征在于，包括 用于產(chǎn)生超連續(xù)譜激光的超連續(xù)光源； 用于放置樣品的樣品臺； 用于傳輸超連續(xù)譜激光的微波導； 將所述超連續(xù)譜激光耦合進所述微波導的耦合器； 用于收集散射光信號的顯微鏡； 用于將...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：劉旭，郝翔，庫玉龍，匡翠方，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發(fā)明
國別省市：