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空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像系統(tǒng)的制作方法

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空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像系統(tǒng)的制作方法與工藝

本發(fā)明涉及一種成像系統(tǒng),特別涉及一種空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像系統(tǒng)。



背景技術(shù):

普通光學(xué)顯微鏡由于受到衍射極限的限制,其成像分辨率取決于入射波長(zhǎng)和顯微物鏡的數(shù)值孔徑,通常不會(huì)小于入射光波長(zhǎng)的一半,即200納米。而當(dāng)成像目標(biāo)的特征尺寸小于200納米時(shí),比如生物樣品中的一些細(xì)胞器、病毒,光學(xué)顯微鏡就顯得束手無(wú)策。為突破衍射極限,獲得納米級(jí)結(jié)構(gòu)的清晰影像,人們采用了熒光顯微鏡,將待觀察樣品染色,然后利用染料熒光分子團(tuán)的光敏開關(guān)特性,獲取了生物樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)。然而該方法只適用于可染色的生物樣品,且成像速度較慢。為此,設(shè)計(jì)一種方便使用、適合各種樣品的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨顯微鏡變得十分重要。

通常,當(dāng)入射光照射到表面具有許多精細(xì)結(jié)構(gòu)的待測(cè)樣品上時(shí),這些細(xì)微結(jié)構(gòu)在入射光場(chǎng)的作用下,產(chǎn)生的散射場(chǎng)包含了限制于物體表面的倏逝波和傳向遠(yuǎn)處的傳導(dǎo)波。傳導(dǎo)波中只包括低空間頻率(周期大于半波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu))的表面輪廓信息,不包含任何樣品表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。而倏逝波則產(chǎn)生于樣品表面的超精細(xì)結(jié)構(gòu)(周期小于半波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)),包含了樣品表面的所有精細(xì)結(jié)構(gòu)信息,但無(wú)法傳播到遠(yuǎn)方,無(wú)法被透鏡和光敏器件所接收。因此要獲取遠(yuǎn)場(chǎng)超高分辨率,就必須將待測(cè)樣品表面的倏逝波轉(zhuǎn)化成可接收的傳導(dǎo)波。

最近,一種基于介質(zhì)微球的超分辨透鏡技術(shù)被廣泛研究與關(guān)注,如中國(guó)專利ZL 201110139222.8。它通過(guò)放置在樣品表面的介質(zhì)微球,將待測(cè)樣品表面的倏逝波轉(zhuǎn)化成傳導(dǎo)波,從而實(shí)現(xiàn)了超分辨成像。但由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),無(wú)論其大小和材料如何改變,其分辨率極限也有一定的限制。因此需要提出和設(shè)計(jì)一種更優(yōu)秀的透鏡,來(lái)獲取更高的成像分辨率。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明是針對(duì)光學(xué)顯微鏡分辨率受限制的問(wèn)題,提出了一種空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像系統(tǒng),用來(lái)進(jìn)一步提高普通光學(xué)顯微鏡的成像分辨率。

本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像系統(tǒng),將空心介質(zhì)微球透鏡置于待測(cè)樣品的表面,再將待測(cè)樣品放置顯微物鏡的焦平面位置,待測(cè)樣品表面的微納結(jié)構(gòu)通過(guò)由空心介質(zhì)微球透鏡、顯微物鏡和鏡筒透鏡依次組成的同軸光路后,到達(dá)成像探測(cè)器上,獲取待測(cè)樣品像。

所述空心介質(zhì)微球透鏡中心部分為空心球體,填充材料為空氣,外層球體為介質(zhì)材料。

所述外層球體直徑為1至50微米,內(nèi)層空心球體直徑為0.5至25微米,內(nèi)層直徑和外層直徑比值在0.2至0.8之間。

本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了光學(xué)超分辨成像。相比于普通介質(zhì)微球透鏡,空心介質(zhì)微球透鏡具有更加優(yōu)越的聚焦和成像特性。相同的照明光和顯微物鏡下,空心介質(zhì)微球透鏡具有更小的聚焦焦斑。成像時(shí),空心介質(zhì)微球透鏡具有更高的成像分辨率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)示意圖;

圖2為本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的成像光路圖;

圖3為在XZ平面內(nèi),顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦特性比較圖;

圖4為在XY平面內(nèi),顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦特性比較圖;

圖5為顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦焦斑的旁瓣比較圖;

圖6為本發(fā)明介質(zhì)微球透鏡與空心介質(zhì)微球透鏡的成像效果比較圖。

具體實(shí)施方式

空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像系統(tǒng),利用中心空心部分對(duì)匯聚光束進(jìn)行調(diào)制,從而獲得更好的聚焦效果和成像分辨率。介質(zhì)微球透鏡能夠提高顯微物鏡的數(shù)值孔徑,從而獲得比普通顯微物鏡更高的分辨率??招慕橘|(zhì)微球透鏡相當(dāng)于中心遮擋的介質(zhì)微球透鏡,能夠?yàn)V除了光線中的低頻分量,增加了高頻分量的比值,因此可以進(jìn)一步獲得更小的聚焦焦斑和更高的成像分辨率。

如圖1所示空心介質(zhì)微球透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。透鏡的中心部分為球體,半徑為r,填充材料為空氣,其折射率為n0,外層為球殼,其半徑為R,折射率為n1。

圖2為空心介質(zhì)微球透鏡的成像光路?;谄胀ǖ墓鈱W(xué)顯微鏡,將空心介質(zhì)微球透鏡2置于待測(cè)樣品1的表面,再將待測(cè)樣品放置顯微物鏡3的焦平面位置。待測(cè)樣品表面的微納結(jié)構(gòu)通過(guò)由空心介質(zhì)微球透鏡2、顯微物鏡3和鏡筒透鏡4依次組成的同軸光路后,到達(dá)成像探測(cè)器5上。利用中心球?qū)訉?duì)低空間頻率光線的調(diào)制作用,可獲得較普通介質(zhì)微球更小的聚焦光斑和成像分辨率。

空心微球透鏡為介質(zhì)材料,如玻璃、石英等。涉及的近場(chǎng)超分辨透鏡,外球直徑一般為1至50微米,而內(nèi)層直徑通常為0.5至25微米,通常內(nèi)層直徑和外層直徑比值在0.2至0.8之間。以上參數(shù)僅為建議數(shù)值,但并不限制本發(fā)明的權(quán)利要求。

圖3為顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦焦斑大小比較(在XZ平面)。其中(a)為數(shù)值孔徑(NA)為0.9的顯微物鏡的聚焦焦斑,其焦斑的半高全寬(FWHM)為329 納米;(b)為直徑5微米的石英(折射率n = 1.46)微球透鏡的焦斑,其焦斑的半高全寬(FWHM)為246 納米;(c)為外徑5微米內(nèi)徑2.5微米的空心石英微球透鏡的焦斑,其焦斑的半高全寬(FWHM)為157 納米。計(jì)算時(shí)使用的入射波長(zhǎng)為550納米,并運(yùn)用時(shí)域有限差分法(FDTD algorithm)精確求解麥克斯韋方程組,來(lái)獲得透鏡焦斑的精確大小。

圖4為顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦焦斑大小比較(在XY平面)。其中(a)為數(shù)值孔徑(NA)為0.9的顯微物鏡的聚焦焦斑;(b)為直徑5微米的石英微球透鏡的焦斑;(c)為外徑5微米內(nèi)徑2.5微米的空心石英微球透鏡的焦斑。

圖5為顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和空心介質(zhì)微球透鏡的焦斑旁瓣比較。其中(a)為數(shù)值孔徑(NA)為0.9的顯微物鏡的焦斑的旁瓣,約為主瓣的2%;(b)為直徑5微米的石英微球透鏡的焦斑的旁瓣,約為主瓣的8%;(c)為外徑5微米內(nèi)徑2.5微米的空心石英微球透鏡的焦斑的旁瓣,約為主瓣的41%。隨著焦斑的逐漸縮小,其旁瓣強(qiáng)度在逐漸增大,但依然在可接受的范圍。

圖6為介質(zhì)微球透鏡和空心介質(zhì)微球透鏡的成像效果比較。仿真的圖像是由放置在透鏡焦點(diǎn)位置的點(diǎn)光源產(chǎn)生的PSF卷積成像目標(biāo)而獲得的。其中(a)成像目標(biāo),為周期性線柵結(jié)構(gòu),其線寬為100 納米,間隔同樣為100納米;(b)為直徑5微米的石英微球透鏡的成像效果,線條完全不可見;(c)為外徑5微米內(nèi)徑2.5微米的空心石英微球透鏡的成像效果,線條結(jié)構(gòu)清晰可見,但邊緣位置有兩條由旁瓣產(chǎn)生的重影,其強(qiáng)度有旁瓣高度決定;(d)增加(c)的對(duì)比度之后的成像效果,消除了重影的影響,獲得了超精細(xì)結(jié)構(gòu)的像。

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