一种大视场超分辨流体显微成像系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大视场超分辨流体显微成像系统及其实现方法，属于光流体、光聚焦、光成像等领域，主要涉及微纳光学、微纳加工、微流控、显微成像等技术。本专利将超振荡平面柱透镜用于流体显微成像，借助其可在透镜后表面的远场甚至超远场处产生半高宽突破衍射极限光片的优势，将产生的光片作为超分辨片光源，利用样品在微流体中的随动现象，对样品进行面扫描成像，有效突破经典光学领域视场与分辨率之间的固有矛盾，满足未来片上智能流体分析测试系统的发展要求，创制一种全新的流体显微成像与检测分析新方法。本发明专利技术提出的大视场超分辨流体显微成像方法还可拓展为将超振荡平面柱透镜产生的光片作为动态超分辨片光源，对生物组织进行层析显微成像，对整个显微光学成像领域中存在的视场与超分辨问题具有颠覆性意义。

A large field of view super-resolution fluid micro imaging system and its implementation

【技术实现步骤摘要】
一种大视场超分辨流体显微成像系统及其实现方法所属领域本专利技术属于光流体、光聚焦、光成像等领域，主要涉及微纳光学、微纳加工、微流控、显微成像等技术。
技术介绍
流体显微成像是将微流体技术与显微成像技术相融合的一种新兴技术，其中微流体技术在于利用流体中颗粒物的流动来替代成本高昂且结构复杂的机械扫描系统实现目标的扫描成像。根据系统中是否包含微透镜，将流体显微成像系统分成两大类：一种是将目标对象直接用图像传感器芯片进行表征的无透镜流体显微成像技术，这方面以2006年美国加州理工学院ChanghueiYang课题组的研究工作为典型代表[LabChip,6,1274,2006]，其成像分辨率受限于图像传感器的像元尺寸，难以获取待测目标的细节信息。近十年来，美国加州理工学院、加州大学洛杉矶分校联合哈佛医学院等研究组利用微光学成像方法，分别提出了片上刻蚀微纳孔洞来提供照明的近似扫描成像[LabChip,6,1274,2008；PNAS,105,10670,2010]及目标对象遮挡入射光实现阴影成像[Biosens.Bioelectron.,24,3208,2009；LabChip,8,98,2007]的无透镜片上显微成像系统，在环境监测、生化分析、智能感知等领域得到了广泛应用。然而，这类光流体成像方法存在以下三方面缺陷：1)受成像器件像素尺寸的约束，待测目标的成像分辨率难以突破衍射极限；2)无论是通过微纳孔洞近似扫描成像还是利用目标本身进行阴影成像，都无法实现目标的整体切片成像，意味着现有成像方法的视场非常有限；3)现有的流体成像研究主要针对待检测颗粒物进行简单计数或对大尺寸颗粒物的局部形貌进行图像表征，为了更有效地获取待测样品的全貌，需构建其三维立体影像。因此，如何实现高分辨、大视场、三维立体成像的片上光流体成像系统，满足未来生命医学、环境监测、智慧生活等领域不断升级的检测需求，已成为一项世界级重大难题，科学意义和实用价值显著。随着微纳加工技术及微纳光学的迅速发展，基于微纳结构的平面光学透镜受到了国际上多个科研团队的广泛关注[NanoLett.,18,2018；Adv.Mater.,1704556,2018]，其中，以metalens为代表的平面光学透镜虽在设计自由度上具有一定优势，但其焦点无法突破衍射极限且在大面积、低成本制备等方面仍然存在巨大挑战，难以满足流体显微成像领域的未来发展要求。相比之下，基于超振荡原理的平面透镜凭借利用非亚波长单元结构在远场甚至超远场突破衍射极限及优越的光场定制能力，逐渐在超衍射极限聚焦与成像[Nat.Mater.,11,432,2012]、高密度数据存储[Sci.Adv.,3,e1701398,2017]、粒子操纵[Light:Sci.Appl.,6,e17050,2017]等领域崭露头角。然而，现有的平面超振荡透镜主要以二维同心圆环结构为主，在光轴方向上对透镜后表面光场进行调控。为满足片上流体显微成像系统的使用要求，需研制光场可定制的超振荡平面柱透镜，以产生焦深可控且强度均匀的光片光场分布。此外，与传统透镜的工作原理不同，平面超振荡透镜不能直接用于成像，其工作方式须借助自身产生的超分辨照明光点对目标检测物进行二维扫描，这就意味着需要在成像目标与透镜之间构造相对运动，这种工作原理恰恰为平面超振荡透镜用于流体显微成像提供了灵感。利用平面超振荡透镜提供的超分辨光片作为片光源对流经该光片的样品截面进行逐帧扫描成像，通过三维立体图像重建算法，可获取待测样品的超分辨立体影像。因此，借助平面超振荡透镜特有的成像模式与微流体技术得天独厚的集成化优势，将平面超振荡透镜用于片上流体显微成像，有望同时解决生物医学成像中“看得宽”与“辨得清”等核心难题。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术提出一种大视场超分辨流体显微成像方法，开创性地将超振荡平面柱透镜用于流体显微成像，借助其可在透镜后表面的远场甚至超远场处产生半高宽突破衍射极限光片的优势，将产生的光片作为超分辨片光源，利用样品在微流体中的随动现象，对样品进行面扫描成像，有效突破经典光学领域视场与分辨率之间的固有矛盾，满足未来片上智能流体分析测试系统的发展要求，创制一种全新的流体显微成像与检测分析新方法。基于此方法，本专利技术提出的大视场超分辨流体显微成像方法还可拓展为将超振荡平面柱透镜产生的光片作为动态超分辨片光源，对生物组织进行层析显微成像，对整个显微光学成像领域中存在的视场与超分辨问题具有颠覆性意义。技术方案本专利技术提出的一种大视场超分辨流体显微成像系统的原理图参阅图1，包括：光片调制模块100，用于提供覆盖整个流体沟道的大视场超分辨光片，以提供入射结构光照明待测样品；微流控调制模块200，用于提供运动速度可控的待测目标；采集模块300，用于采集流经超分辨光片处样品截面的序列图像；重构模块400，用于将采集到的多帧图像序列利用图像重构算法进行三维重建。进一步的，本专利技术提出的一种大视场超分辨流体显微成像系统的结构图参阅图2(a)，所述的光片调制模块100又包括：超振荡平面柱透镜1，激光器或超连续可调光源，激光扩束镜，偏振态调制模块。进一步的，参阅图2(a)，所述的微流控调制模块200又包括：微流控芯片2及恒压/流注射泵，用于提供速度可控的待测目标。进一步的，参阅图2(a)，所述的采集模块300又包括：成像透镜3、滤波片、高速相机4、精密压电位移台及图像采集卡，用于对待测目标进行成像并捕获超分辨光片沿颗粒物流动方向扫描而成的图像序列。进一步的，参阅图2(a)，所述的重构模块400又包括：GPU处理器5和高性能显卡；图像序列预处理模块即对实时采集到的混叠图像进行滤波降噪预处理，及后续超分辨图像序列三维重建模块，其中包括水平配准及深度计算两部分内容。进一步的，参阅图2(a)，当一束平面波垂直入射到超振荡平面柱透镜1上，透过超振荡平面柱透镜1的光经过调制后在超振荡平面柱透镜的正下方产生超分辨光片，形成的光片照亮微流控芯片2的沟道，光片与沟道截面平行，位置关系参阅图2(b)，成像透镜3及高速相机4置于微流控芯片2的端面，利用GPU处理器5结合图像重构算法对采集到的图像序列进行三维重建。进一步的，超振荡平面柱透镜是一种利用直槽结构对入射平面波实现精细复杂调控的平面透镜，其聚焦原理图参阅图3，其中，超振荡平面柱透镜产生的光片焦深大小即为光片的长度l2。参阅图2(a)，超振荡平面柱透镜为长度l1、宽度w1、厚度为t的直槽型结构；由超振荡平面柱透镜产生的超分辨光片长度为l2、宽度为w2，其中，超振荡平面柱透镜产生的光片宽度w2略小于透镜宽度w1。参阅图2(b)，所制作的流体沟道的截面宽度w3由超振荡平面柱透镜产生的光片宽度w2决定，流体沟道的截面深度l3由超振荡平面柱透镜产生的光片长度l2决定，系统的成像分辨率由超分辨光片的焦平面半高宽决定。进一步的，参阅图3，所述超振荡平面柱透镜可根据成像的工作波段，面向可见光、近红外、中波红外、长波红外以及太赫兹等电磁谱段，涉及的材料为Si3N4、SiO2、TiO2、Si、Ge本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大视场超分辨流体显微成像系统，其特征在于，包括光片调制模块100，用于提供覆盖整个流体沟道的大视场超分辨光片，以提供入射结构光照明待测样品；微流控调制模块200，用于提供运动速度可控的待测目标；采集模块300，用于采集流经超分辨光片处样品截面的序列图像；重构模块400，用于将采集到的多帧图像序列利用图像重构算法进行三维重建。/n

【技术特征摘要】
1.一种大视场超分辨流体显微成像系统，其特征在于，包括光片调制模块100，用于提供覆盖整个流体沟道的大视场超分辨光片，以提供入射结构光照明待测样品；微流控调制模块200，用于提供运动速度可控的待测目标；采集模块300，用于采集流经超分辨光片处样品截面的序列图像；重构模块400，用于将采集到的多帧图像序列利用图像重构算法进行三维重建。


2.一种如权利要求1所述的大视场超分辨流体显微成像系统，其特征在于，所述的光片调制模块100具体包括：超振荡平面柱透镜1，激光器或超连续可调光源，激光扩束镜，偏振态调制模块；所述的微流控调制模块200主要包括微流控芯片2；所述的采集模块300主要包括：成像透镜3和高速相机4；所述的重构模块400主要包括GPU处理器5；GPU处理器5中的图像序列预处理模块对实时采集到的混叠图像进行滤波降噪预处理，后续超分辨图像序列三维重建模块包括水平配准及深度计算两部分内容；
所述激光器或超连续可调光源发射的一束平面波垂直入射到超振荡平面柱透镜1上后，依次通过所述激光扩束镜和偏振态调制模块后，在超振荡平面柱透镜1的正下方产生超分辨光片，形成的光片照亮微流控芯片2沟道的待成像区域，光片与沟道截面平行，成像透镜3及高速相机4依次置于微流控芯片2的端面，且所述微流控芯片2的沟道、成像透镜3与高速相机4的感光面同轴，利用GPU处理器5结合图像重构算法对采集到的图像序列进行三维重建。


3.一种如权利要求2所述的大视场超分辨流体显微成像系统，其特征在于，所述的超振荡平面柱透镜1为长度l1、宽度w1、厚度为t的直槽型结构；由超振荡平面柱透镜1产生的超分辨光片长度为l2、宽度为w2，流体沟道的截面宽度w3满足：w3≤w2，流体沟道的截面深度l3满足：l3≤l2。


4.一种如权利要求2所述的大视场超分辨流体显微成像系统，其特征在于，所述超振荡平面柱透镜1面向可见光、近红外、中波红外、长波红外或太赫兹的电磁谱段，材料为Si3N4、SiO2、TiO2、Si、Ge或BaF2。


5.一种基于如权利要求1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞益挺，李文丽，赫培，苑伟政，
申请(专利权)人：西北工业大学深圳研究院，西北工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44