空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统技术方案

本发明专利技术涉及一种空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统，将空心介质微球透镜置于待测样品的表面，再将待测样品放置显微物镜的焦平面位置，待测样品表面的微纳结构通过由空心介质微球透镜、显微物镜和镜筒透镜依次组成的同轴光路后，到达成像探测器上，获取待测样品的像，并实现了超越衍射极限的成像分辨率。相比于普通介质微球透镜，空心介质微球透镜具有更加优越的聚焦和成像特性。相同的照明光和显微物镜下，空心介质微球透镜具有更小的聚焦焦斑。成像时，空心介质微球透镜具有更高的成像分辨率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种成像系统，特别涉及一种空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统。
技术介绍
普通光学显微镜由于受到衍射极限的限制，其成像分辨率取决于入射波长和显微物镜的数值孔径，通常不会小于入射光波长的一半，即200纳米。而当成像目标的特征尺寸小于200纳米时，比如生物样品中的一些细胞器、病毒，光学显微镜就显得束手无策。为突破衍射极限，获得纳米级结构的清晰影像，人们采用了荧光显微镜，将待观察样品染色，然后利用染料荧光分子团的光敏开关特性，获取了生物样品的精细结构。然而该方法只适用于可染色的生物样品，且成像速度较慢。为此，设计一种方便使用、适合各种样品的远场超分辨显微镜变得十分重要。通常，当入射光照射到表面具有许多精细结构的待测样品上时，这些细微结构在入射光场的作用下，产生的散射场包含了限制于物体表面的倏逝波和传向远处的传导波。传导波中只包括低空间频率（周期大于半波长的结构）的表面轮廓信息，不包含任何样品表面的精细结构信息。而倏逝波则产生于样品表面的超精细结构（周期小于半波长的结构），包含了样品表面的所有精细结构信息，但无法传播到远方，无法被透镜和光敏器件所接收。因此要获取远场超高分辨率，就必须将待测样品表面的倏逝波转化成可接收的传导波。最近，一种基于介质微球的超分辨透镜技术被广泛研究与关注，如中国专利ZL201110139222.8。它通过放置在样品表面的介质微球，将待测样品表面的倏逝波转化成传导波，从而实现了超分辨成像。但由于其自身的结构特点，无论其大小和材料如何改变，其分辨率极限也有一定的限制。因此需要提出和设计一种更优秀的透镜，来获取更高的成像分辨率。
技术实现思路
本专利技术是针对光学显微镜分辨率受限制的问题，提出了一种空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统，用来进一步提高普通光学显微镜的成像分辨率。本专利技术的技术方案为：一种空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统，将空心介质微球透镜置于待测样品的表面，再将待测样品放置显微物镜的焦平面位置，待测样品表面的微纳结构通过由空心介质微球透镜、显微物镜和镜筒透镜依次组成的同轴光路后，到达成像探测器上，获取待测样品像。所述空心介质微球透镜中心部分为空心球体，填充材料为空气，外层球体为介质材料。所述外层球体直径为1至50微米，内层空心球体直径为0.5至25微米，内层直径和外层直径比值在0.2至0.8之间。本专利技术的有益效果在于：本专利技术空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统，实现了光学超分辨成像。相比于普通介质微球透镜，空心介质微球透镜具有更加优越的聚焦和成像特性。相同的照明光和显微物镜下，空心介质微球透镜具有更小的聚焦焦斑。成像时，空心介质微球透镜具有更高的成像分辨率。附图说明图1为本专利技术空心介质微球透镜的结构和特性参数示意图；图2为本专利技术空心介质微球透镜的成像光路图；图3为在XZ平面内，显微物镜、介质微球透镜和本专利技术空心介质微球透镜的聚焦特性比较图；图4为在XY平面内，显微物镜、介质微球透镜和本专利技术空心介质微球透镜的聚焦特性比较图；图5为显微物镜、介质微球透镜和本专利技术空心介质微球透镜的聚焦焦斑的旁瓣比较图；图6为本专利技术介质微球透镜与空心介质微球透镜的成像效果比较图。具体实施方式空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统，利用中心空心部分对汇聚光束进行调制，从而获得更好的聚焦效果和成像分辨率。介质微球透镜能够提高显微物镜的数值孔径，从而获得比普通显微物镜更高的分辨率。空心介质微球透镜相当于中心遮挡的介质微球透镜，能够滤除了光线中的低频分量，增加了高频分量的比值，因此可以进一步获得更小的聚焦焦斑和更高的成像分辨率。如图1所示空心介质微球透镜的结构示意图。透镜的中心部分为球体，半径为r，填充材料为空气，其折射率为n0，外层为球壳，其半径为R，折射率为n1。图2为空心介质微球透镜的成像光路。基于普通的光学显微镜，将空心介质微球透镜2置于待测样品1的表面，再将待测样品放置显微物镜3的焦平面位置。待测样品表面的微纳结构通过由空心介质微球透镜2、显微物镜3和镜筒透镜4依次组成的同轴光路后，到达成像探测器5上。利用中心球层对低空间频率光线的调制作用，可获得较普通介质微球更小的聚焦光斑和成像分辨率。空心微球透镜为介质材料，如玻璃、石英等。涉及的近场超分辨透镜，外球直径一般为1至50微米，而内层直径通常为0.5至25微米，通常内层直径和外层直径比值在0.2至0.8之间。以上参数仅为建议数值，但并不限制本专利技术的权利要求。图3为显微物镜、介质微球透镜和空心介质微球透镜的聚焦焦斑大小比较（在XZ平面）。其中（a）为数值孔径（NA）为0.9的显微物镜的聚焦焦斑，其焦斑的半高全宽（FWHM）为329纳米；（b）为直径5微米的石英（折射率n=1.46）微球透镜的焦斑，其焦斑的半高全宽（FWHM）为246纳米；（c）为外径5微米内径2.5微米的空心石英微球透镜的焦斑，其焦斑的半高全宽（FWHM）为157纳米。计算时使用的入射波长为550纳米，并运用时域有限差分法（FDTDalgorithm）精确求解麦克斯韦方程组，来获得透镜焦斑的精确大小。图4为显微物镜、介质微球透镜和空心介质微球透镜的聚焦焦斑大小比较（在XY平面）。其中（a）为数值孔径（NA）为0.9的显微物镜的聚焦焦斑；（b）为直径5微米的石英微球透镜的焦斑；（c）为外径5微米内径2.5微米的空心石英微球透镜的焦斑。图5为显微物镜、介质微球透镜和空心介质微球透镜的焦斑旁瓣比较。其中（a）为数值孔径（NA）为0.9的显微物镜的焦斑的旁瓣，约为主瓣的2%；（b）为直径5微米的石英微球透镜的焦斑的旁瓣，约为主瓣的8%；（c）为外径5微米内径2.5微米的空心石英微球透镜的焦斑的旁瓣，约为主瓣的41%。随着焦斑的逐渐缩小，其旁瓣强度在逐渐增大，但依然在可接受的范围。图6为介质微球透镜和空心介质微球透镜的成像效果比较。仿真的图像是由放置在透镜焦点位置的点光源产生的PSF卷积成像目标而获得的。其中（a）成像目标，为周期性线栅结构，其线宽为100纳米，间隔同样为100纳米；（b）为直径5微米的石英微球透镜的成像效果，线条完全不可见；（c）为外径5微米内径2.5微米的空心石英微球透镜的成像效果，线条结构清晰可见，但边缘位置有两条由旁瓣产生的重影，其强度有旁瓣高度决定；（d）增加（c）的对比度之后的成像效果，消除了重影的影响，获得了超精细结构的像。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统，其特征在于，将空心介质微球透镜置于待测样品的表面，再将待测样品放置显微物镜的焦平面位置，待测样品表面的微纳结构通过由空心介质微球透镜、显微物镜和镜筒透镜依次组成的同轴光路后，到达成像探测器上，获取待测样品像。

【技术特征摘要】
1.一种空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统，其特征在于，将空心介质微球透镜置于待测样品的表面，再将待测样品放置显微物镜的焦平面位置，待测样品表面的微纳结构通过由空心介质微球透镜、显微物镜和镜筒透镜依次组成的同轴光路后，到达成像探测器上，获取待测样品像。2.根据权利要求1所述空心介质微球辅助...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌进中，严锦雯，贾星伟，张跃华，隋国荣，张大伟，庄松林，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31