基于叠加双微球透镜的光学超分辨率成像系统

摘要

本发明涉及一种基于叠加双微球透镜的光学超分辨率成像系统，包括倒置透射式光学显微镜、XYZ精密运动平台、Z向粗调平台、微球透镜、胶体球探针、高速相机。方法包括：通过XYZ精密运动平台和Z向粗调平台，使位于样本上的小微球透镜和胶体球探针包含的大微球透镜上下叠加，利用小微球透镜实现初级成像，在此基础上通过大微球透镜实现次级放大，从而实现高放大倍数的超分辨率光学成像。本发明所述能够打破光学衍射极限，其成像放大倍数和成像视场较传统的单微球透镜成像的方法有了明显的提升，所成像为一个放大的实像，这种成像模式为高倍的显微镜物镜提供了更大的工作空间，主要适用于微纳科技、生物医学和材料研究领域。

权利要求

1.基于叠加双微球透镜的光学超分辨率成像系统，其特征在于：包括倒置透射式光学显微镜(1)、XYZ精密运动平台(2)、两个微球透镜(4,17)、胶体球探针(3)、Z向粗调平台(8)、高速相机(15)；所述XYZ精密运动平台(2)位于所述光学显微镜的粗调平台(10)上，载有胶体球探针(3)的载玻片(5)固定于所述XYZ精密运动平台上方，样品(9)倒置于所述Z向粗调平台(8)；所述两个微球透镜(4,17)包括一个小微球透镜(4)一个大微球透镜(17)，其中所述大微球透镜(4)与AFM探针(18)组成了所述胶体球探针(3)，而所述小微球透镜(4)附着于所述样品(9)上；经过所述两个微球透镜(4,17)所成的像，通过物镜(6)放大后，最终由所述高速相机(15)采集并传输到计算机(16)进行处理和显示。

说明书

基于叠加双微球透镜的光学超分辨率成像系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于叠加双微球透镜的光学超分辨率成像系统，具体来说是利用一个微球透镜实现初级成像，在此基础上通过第二个微球透镜实现次级放大，从而实现高放大倍数的超分辨率光学成像。主要用于微纳科技、生物医学和材料研究领域。

背景技术

[0002] 光学显微镜在许多领域起着重要作用。但受限于光学衍射极限，传统光学显微镜的分辨率无法超过200nm。随着微纳米科学与生物医学研究领域的发展，对更高分辨率的显微成像技术的需求日益迫切。目前相对成熟且商业化的超分辨率成像方法主要包括电子显微成像(scanning electron microscope,SEM)，扫描隧道显微成像(scanning tunneling microscope,STM)，原子力显微(atomic force microscope,AFM)，以及近年来获得广泛关注的光学超分辨率显微成像技术。其中，SEM能够达到0.1nm的分辨率，STM以及AFM则能够达到原子级别的分辨率。在这些方法中，SEM和STM需要先对样品进行复杂的预处理工作，需要在真空和低温环境下工作，无法用于活细胞的观察。AFM通过探针间接对样品形貌进行观测，获得的是经过光电重建后的图像，易引入图像形貌误差和测量假象，同时实时性较差。

[0003] 光学显微成像技术具有非接触、对样品无损伤、实时性高的特点，因此探索能从根本上突破衍射极限、获取更高分辨能力的光学超分辨成像方法，尤其是远场光学显微成像方法，是目前的研究热点之一。许多研究者提出了基于荧光材料的光学超分辨率成像技术，包括受激发射损耗显微镜(STED)、光活化定位显微镜(PLAM)以及随机光学重构显微镜(STORM)。由于这些方法都是基于荧光材料的，需要对样品进行荧光标记等复杂额预处理步骤，同时只有特殊的样品可以进行荧光标记，这也限制了这些技术的普适性。

[0004] 近年来研究者们对基于微纳米透镜的超分辨率成像技术进行了许多研究。包括超材料透镜、固体浸没透镜、微纳米液滴、微球透镜等。相比其它方法微球透镜简单易得，成为了研究的焦点。目前基于微球透镜的超分辨率成像仅采用单个微球进行成像，获得的放大倍数有限，且在单个微球成像的情况下，想要获得高倍数成像，往往需要使用折射率很高或者尺寸很小的微球透镜，这样有会导致成像视场的降低。

[0005] 因此我们提出了基于叠加双微球透镜的光学超分辨成像系统。本发明克服了传统微球透镜超分辨率成像在放大倍数方面的局限性，提高了成像性能，为微球超分辨率成像的发展提供了一中新的方向。基于此方法，结合普通的光学显微镜、精密运动平台、高速相机等常用设备实现了高放大倍数的超分辨率光学成像。

发明内容

[0006] 本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出基于叠加双微球透镜的光学超分辨率成像系统和方法，提高成像性能，实现高放大倍数的超分辨率光学成像。

[0007] 为实现上述目的，本发明包括：基于叠加双微球透镜的光学超分辨率成像系统，其特征在于：包括光学显微镜、XYZ精密运动平台、Z向粗调平台、微球透镜、胶体球探针、高速相机。所述XYZ精密运动平台位于所述光学显微镜的粗调平台上，载有所述胶体球探针的载玻片置于所述XYZ精密运动平台上方；样品倒置于所述Z向粗调平台。

[0008] 所述两个微球透镜包括一个小微球透镜一个大微球透镜两个不同的微球透镜，其中所述大微球透镜与AFM探针组成了所述胶体球探针，而所述小微球透镜附着于所述样品上；

[0009] 经过所述两个微球透镜所成的像，通过物镜放大后，最终由所述高速相机采集并传输到计算机进行处理和显示。

[0010] 本发明具有以下优点：

[0011] 1、本发明采用的叠加双微球透镜能够打破光学衍射极限，其成像放大倍数和成像视场较传统的单微球透镜成像的方法有了明显的提升。

[0012] 2、本发明所成像为一个放大的实像，相比于传统单微球透镜所成的放大虚像，这种成像模式的像面远离了样品表面，这能给显微镜物镜额外的工作空间，减小因工作距离带来的限制，从而让高倍物镜能够在这种系统下使用

[0013] 3、本发明无需对样品进行额外预处理步骤即能成像，对样品没有侵入性且通用性好。

附图说明

[0014] 图1为本发明的系统结构示意图；

[0015] 图2为本发明所述方法的成像原理示意图。

具体实施方式

[0016] 以下将参照附图对本发明作进一步的描述。

[0017] 本发明的基于叠加双微球透镜的光学超分辨率成像系统如图1所示，主要包括倒置透射式显微镜1，XYZ精密运动平台2，胶体球探针3，小微球透镜4，载玻片5，物镜6，物镜压电驱动器7，Z向粗调平台8，样品9，粗调平台10，显微镜镜架11，光源12，控制器13，控制器14，高速相机15，计算机16，大微球透镜17，AFM探针18。其中，物镜6，粗调平台10，显微镜镜架11和光源12为光学显微镜1的组成部分，胶体球探针3由大微球透镜17和AFM探针18粘连组成。

[0018] 其中，光源12安装在显微镜镜架11上，位于整个系统正上方，光源8可为卤素灯或荧光灯。Z向粗调平台8安装在显微镜镜架11上，XYZ精密运动平台2通过螺钉固定在粗调平台7上，载玻片5通过压片夹固定在精密运动平台2上，胶体球探针3通过双面胶粘贴于载玻片5上。样品9通过双面胶粘贴于Z向粗调平台8上，小微球透镜4置于样品9表面，位于样品9和胶体球探针3之间。物镜6通过螺纹安装在物镜压电驱动器7上，物镜压电驱动器7通过螺纹安装在显微镜镜架11上。

[0019] 本发明所述方法的成像过程如图2所示，物体首先通过所述小微球透镜实现初级放大，形成一个正立放大的虚像，再通过所述大微球透镜实现次级放大，形成一个倒立放大的实像。

[0020] 本发明所述的叠加双微球透镜的光学超分辨率成像方法，实现过程如下：

[0021] 手动调整所述粗调平台10和Z向初调平台8，使所述显微镜1视场中能同时出现所述大小两个微球透镜的离焦图像。

[0022] 计算机16通过控制器13调节XYZ精密运动平台2，从而控制胶体球探针3使所述大微球透镜逐渐与小微球透镜上下贴合，并使二者在显微镜视场内中心重合；

[0023] 通过显微镜的调焦旋钮调节物镜6的位置，初步观察到样品图像，计算机16再通过控制器13使所述物镜压电驱动器7对物镜位置进行精密调节，达到最佳成像面位置，即超分辨率图像对比度达到最大时。

[0024] 高速相机15将所述光学显微镜获取的所述叠加双微球透镜所成的超分辨率图像传送至所述计算机16中进行处理及显示。