【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于可见光显微，具体涉及一种基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统及方法。
技术介绍
1、现有显微技术大致可分为近场显微与远场显微两大类，近场显微包括微球体辅助成像、近场扫描显微等方法。近场显微方法能实现超分辨显微成像，但其工作距离小于工作波长，极大的限制了其实际应用。远场超分辨技术，工作距离大，可以克服近场显微技术的不足。现有的远场超分辨显微技术包括受激发射损耗显微、局部激活显微、随机光重构光学显微等；然而，这些技术都需要对被检测样品进行荧光分子标记。非标记的远场超分辨显微技术，具有工作距离大、无需对样品进行标记，使用方便等优点；因此成为超分辨光学显微镜技术的重要发展趋势。近年来，基于超衍射器件的非标记远场超分辨显微已有少数实验报道。这些系统都依赖于新型的超分辨器件作为照明器件；然而，超分辨器件的聚焦效率通常较低。
2、技术背景参考文献：
3、[1]edward t.f.rogers,jari lindberg,tapashree roy,salvatore savo,johne.chad,mark r.dennisand nikolay i.zheludev.“a super-oscillatory lens opticalmicroscope forsubwavelength imaging,”nature materials,vol.11,pp.432-435(2012).
4、[2]edward t f rogers and nikolay i zheludev.“opti
5、[3]y yan,l li,c feng,w guo,s lee,m hong.“microsphere-coupled scanninglaser confocal nanoscope for sub-diffraction-limited imaging at 25nm lateralresolution in the visible spectrum,”acs nano,vol.8,pp.1809-1816(2014).
6、[4]fei qin,kun huang,jianfeng wu,jinghua teng,cheng-wei qiu,andminghui hong.“asupercritical lens optical label-free microscopy:sub-diffraction resolution and ultra-long working distance,”advanced materials,vol.28,1602721(2017).
7、[5]yi zhou,kun zhang,jinlong wang,zhengguo shang,gaofeng liang,zhihaizhang,zhongquan wen,yufei liu,gang chen,“label-free super-resolutionmicroscopy based on non-diffraction superoscillation beam(ndsb)illumination,”optics and lasers in engineering,vol.168,pp.107690(2023)
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统及方法，以实现高效的超分辨照明，提高超分辨成像对比度。
2、本专利技术所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，包括：
3、样品扫描模块，用于带动样品移动。
4、光学显微成像模块，用于对样品进行宽场成像，确定超分辨扫描成像区域。
5、环形聚焦光束产生模块，用于产生环形聚焦光束。
6、超分辨聚焦照明与收集模块，用于将环形聚焦光束转化为超分辨锥形聚焦光束，形成超分辨焦斑对样品进行照明，收集由样品反射和散射产生的超分辨信号光，并转化。
7、超分辨光学成像模块，用于获取经转化后的超分辨信号光，并将其转换为电信号。
8、计算机，用于控制样品扫描模块带动样品移动，同时接收超分辨光学成像模块输出的电信号，处理得到超分辨扫描成像区域内样品的超分辨显微图像。
9、所述环形聚焦光束产生模块沿着光线传播方向依次包括光源模块、线偏振片、锥透镜、第三正透镜、第一正透镜、第二正透镜和偏振分束器；第三正透镜与锥透镜同轴间隔放置，第一正透镜的前焦平面与第三正透镜的后焦平面重合，第一正透镜的后焦平面与第二正透镜的前焦平面重合，第二正透镜的后焦平面与超分辨聚焦照明与收集模块中的物镜的后焦平面重合，第一正透镜与第二正透镜构成第一4f系统。光源模块产生准直激光束，该准直激光束经过线偏振片、第一锥透镜、第三正透镜后形成环形聚焦光束，该环形聚焦光束在第三正透镜的后焦平面上形成环形聚焦光斑，该环形聚焦光束通过第一4f系统后尺寸被缩小，尺寸被缩小后的环形聚焦光束经偏振分束器进入超分辨聚焦照明与收集模块。
10、优选的，所述超分辨聚焦照明与收集模块除了包括物镜外，还包括四分之一波片，所述样品位于物镜的前焦平面上；经偏振分束器进入的环形聚焦光束(即尺寸被缩小后的环形聚焦光束)通过四分之一波片后，形成与物镜同轴的圆偏振环形聚焦光束，该圆偏振环形聚焦光束在物镜的后焦平面上形成与物镜同轴的环形聚焦光斑，该圆偏振环形聚焦光束通过物镜后，转化为超分辨锥形聚焦光束，在物镜前焦平面前后沿光轴形成长焦深超分辨聚焦光场，该长焦深超分辨聚焦光场的半高全宽小于0.5λ/na，该长焦深超分辨聚焦光场的超分辨焦斑的第一零点半径(即焦斑强度峰值位置到第一个零点位置的距离)小于0.61λ/na，长焦深超分辨聚焦光场的超分辨焦斑对样品进行照明，由样品反射和散射产生的超分辨信号光被物镜收集后，通过四分之一波片转化成偏振光束，该偏振光束经偏振分束器进入超分辨光学成像模块。其中，λ表示准直激光束的波长，na表示物镜的数值孔径。
11、优选的，所述超分辨锥形聚焦光束的数值孔径nac满足：0.947na≤nac<na。
12、优选的，要实现样品的三维层析扫描，样品扫描模块有两种结构。
13、第一种，样品扫描模块为二维纳米扫描台，二维纳米扫描台通过扫描信号线连接计算机，样品水平固定在二维纳米扫描台上，计算机控制二维纳米扫描台带动样品在xy平面内二维移动；所述超分辨聚焦照明与收集模块还包括轴向纳米定位器，轴向纳米定位器通过定位信号线连接计算机，物镜安装在轴向纳米定位器上，计算机控制轴向纳米定位器带动物镜在z向移动。二维纳米扫描台与轴向纳米定位器组合本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述超分辨聚焦照明与收集模块还包括四分之一波片（10），所述样品（13）位于物镜（12）的前焦平面上；经偏振分束器（9）进入的环形聚焦光束通过四分之一波片（10）后，形成与物镜（12）同轴的圆偏振环形聚焦光束，该圆偏振环形聚焦光束在物镜（12）的后焦平面上形成与物镜（12）同轴的环形聚焦光斑，该圆偏振环形聚焦光束通过物镜（12）后，转化为超分辨锥形聚焦光束，在物镜（12）前焦平面前后沿光轴形成长焦深超分辨聚焦光场，长焦深超分辨聚焦光场的超分辨焦斑对样品（13）进行照明，由样品（13）反射和散射产生的超分辨信号光被物镜（12）收集后，通过四分之一波片（10）转化成偏振光束，该偏振光束经偏振分束器（9）进入超分辨光学成像模块。
3.根据权利要求2所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述超分辨锥形聚焦光束的数值孔径NAc满足：0.947NA≤NAc<NA；其中，NA表示物镜（12）的数值孔径。
4.根据权利要求2所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述样品扫描模块为二维纳米扫描台（33），二维纳米扫描台（33）通过扫描信号线（34）连接计算机，样品（13）水平固定在二维纳米扫描台（33）上，计算机控制二维纳米扫描台（33）带动样品（13）在XY平面内二维移动；所述超分辨聚焦照明与收集模块还包括轴向纳米定位器（11），轴向纳米定位器（11）通过定位信号线（35）连接计算机，物镜（12）安装在轴向纳米定位器（11）上，计算机控制轴向纳米定位器（11）带动物镜（12）在Z向移动；
5.根据权利要求2至4任一项所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述超分辨光学成像模块包括第四正透镜（14）、第一立方分束器（15）、第五正透镜（16）、空间滤波器（17）、第一筒镜（18）、光纤头（19）、光电倍增管（22）和高速采集卡（24），第四正透镜（14）的前焦平面与物镜（12）的后焦平面重合，第四正透镜（14）的后焦平面经过第一立方分束器（15）反射后与第五正透镜（16）的前焦平面重合，第五正透镜（16）的后焦平面与空间滤波器（17）重合，第四正透镜（14）、第一立方分束器（15）、第五正透镜（16）构成第二4f系统，光纤头（19）的前端面与第一筒镜（18）的后焦平面重合，光纤头（19）通过第二光纤跳线（21）连接光电倍增管（22），光电倍增管（22）通过采集信号线（23）连接高速采集卡（24），高速采集卡（24）通过数据线（25）连接计算机；转化后的超分辨信号光被第二4f系统投射到空间滤波器（17）上，经滤波后在第一筒镜（18）的后焦平面上汇聚，并被耦合进入光纤头（19），然后进入光电倍增管（22），由光电倍增管（22）将其转换为电信号，该电信号由高速采集卡（24）采集并输入至计算机。
6.根据权利要求5所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：
7.根据权利要求5所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述光学显微成像模块包括第六正透镜（26）、非相干光源（27）、准直透镜（28）、第二立方分束器（29）、第二筒镜（30）和数字相机（31），数字相机（31）通过相机信号线（32）连接计算机，非相干光源（27）位于准直透镜（28）的前焦点处，第六正透镜（26）的前焦平面与第四正透镜（14）的后焦平面重合，第六正透镜（26）的后焦平面位于第二筒镜（30）前方，第六正透镜（26）、第一立方分束器（15）、第四正透镜（14）构成第三4f系统；非相干光源（27）发出的光经准直透镜（28）准直、第二立方分束器（29）反射后，依次经过第六正透镜（26）、第一立方分束器（15）、第四正透镜（14）、偏振分束器（9）、四分之一波片（10）到达物镜（12），在物镜（12）的前焦平面上汇聚成非相干光对样品（13）进行照明，由样品（13）反射或散射而产生的非相干光被物镜（12）收集后，依次经过四分之一波片（10）、偏振分束器（9）、第四正透镜（14）、第一立方分束器（15）、第六透镜（26）、第二立方分束器（29）、第二筒镜（30）后进入数字相机（31），使样品（13）成像于数字相机（31）上并通过相机信号线（32）送入计算机，由计算机显示样品（13）的宽场显微图像。
8.根据权利要求5所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述空间滤波器（17）为环形通过型空间滤波器，其包括玻璃基底（171）和覆盖在所述玻璃基底上且...
【技术特征摘要】
1.一种基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述超分辨聚焦照明与收集模块还包括四分之一波片（10），所述样品（13）位于物镜（12）的前焦平面上；经偏振分束器（9）进入的环形聚焦光束通过四分之一波片（10）后，形成与物镜（12）同轴的圆偏振环形聚焦光束，该圆偏振环形聚焦光束在物镜（12）的后焦平面上形成与物镜（12）同轴的环形聚焦光斑，该圆偏振环形聚焦光束通过物镜（12）后，转化为超分辨锥形聚焦光束，在物镜（12）前焦平面前后沿光轴形成长焦深超分辨聚焦光场，长焦深超分辨聚焦光场的超分辨焦斑对样品（13）进行照明，由样品（13）反射和散射产生的超分辨信号光被物镜（12）收集后，通过四分之一波片（10）转化成偏振光束，该偏振光束经偏振分束器（9）进入超分辨光学成像模块。
3.根据权利要求2所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述超分辨锥形聚焦光束的数值孔径nac满足：0.947na≤nac<na；其中，na表示物镜（12）的数值孔径。
4.根据权利要求2所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述样品扫描模块为二维纳米扫描台（33），二维纳米扫描台（33）通过扫描信号线（34）连接计算机，样品（13）水平固定在二维纳米扫描台（33）上，计算机控制二维纳米扫描台（33）带动样品（13）在xy平面内二维移动；所述超分辨聚焦照明与收集模块还包括轴向纳米定位器（11），轴向纳米定位器（11）通过定位信号线（35）连接计算机，物镜（12）安装在轴向纳米定位器（11）上，计算机控制轴向纳米定位器（11）带动物镜（12）在z向移动；
5.根据权利要求2至4任一项所述的基于光锥照明的反射式超分辨光学显微系统，其特征在于：所述超分辨光学成像模块包括第四正透镜（14）、第一立方分束器（15）、第五正透镜（16）、空间滤波器（17）、第一筒镜（18）、光纤头（19）、光电倍增管（22）和高速采集卡（24），第四正透镜（14）的前焦平面与物镜（12）的后焦平面重合，第四正透镜（14）的后焦平面经过第一立方分束器（15）反射后与第五正透镜（16）的前焦平面重合，第五正透镜（16）的后焦平面与空间滤波器（17）重合，第四正透镜（14）、第一立方分束器（15）、第五正透镜（16）构成第二4f系统，光纤头（19）的前端面与第一筒镜（18）的后焦平面重合，光纤头（19）通过第二光纤跳线（21）连接光电倍增管（22），光电倍增管（22）通过采集信号线（23）连接高速采集卡（24），高速采集卡（24）通过数据线（25）连接计算机；转化后的超分辨信号光被第二4...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。