CN100516822C - 光学波段的近场显微镜 - Google Patents

Abstract

光学波段的近场显微镜，属于光学波段近场探测装置，目的在于免去探针及其与样品间距保持技术及其系统，同时实现超衍射限分辨率成像和光谱探测。本发明包括顺序排列的近场取景窗、近场编码板、转换光波导、分光系统和光电探测器；近场编码板为按循环s矩阵分布的亚波长小孔阵列，小孔孔径小于瑞利判据中的r值；经取景窗过来的光在小孔中被提取并在光波导中转化成传导波送往后续装置。本发明可以供多观察手段联用；可以在研究细胞与激光束相互作用的同时进行亚细胞水平的观察，系统承受外场作用能力大为增强；可以在对样品做纳米分辨率的成像观察同时，得到样品的纳米分辨图像的光谱信息；分辨率与现有探针扫描近场光学显微镜相似，为50nm左右。

Description

光学波段的近场显微镜

技术领域

本发明属于光学波段近场探测装置。

背景技术

光学显微镜以不带电的光子为信息载体，对细胞干扰很小，是生物学/医学研究的基本工具。尽管其他类显微镜，如电子显微镜、扫描隧道显微镜早已具有亚纳米级的分辨率，但是由于光学波段的电磁波所具有的特征能量与生物物质的分子运动能量相近，很容易发生某种形式的相互作用，从而可以通过此种相互作用去进一步认识这些物质且又不损伤这些物质的生物活性。所以至今世界上许多先进实验室一直在努力探索光学近场的特性，以便利用这些特性服务于人类科学技术的发展。这其中主要的一个方面就是光学波段超分辨探测技术。

现有近场光学显微镜均须借助于某种型式的近场探针，以便提取待测目标表面近场中某处一个极小区域的光学近场信号(近场仅存在于物体表面亚波长的近处，探针感应该点的光学近场，并将其转化为传导波送往光纤的另一端)，该区域一般远小于光学分辨率限制依据的瑞利判据所限定的区域，这种探针可以是有孔(通光)也可以是无孔(不直接通光)。从工作原理上看近场探针的作用是：提取在近目标区的隐失波中所携带的超分辨信息，并通过探针的传光结构(光波导纤维)将隐失波转换成传导波，然后传往光学系统和光电转换器，获得相应的电信号：近场探针在测控单元的帮助下保持住针尖与待测目标的间距在所需近场范围，并由二维扫描机构拖动探针在目标上作二维扫描，从而完成目标的超分辨光学图像的探测。所以现在的近场光学显微镜(以可见光为例)主要由三部分构成：其一为一个具有纳米针尖的探针，其二为保持此探针到样品待测点间的距离为十几纳米的机构和拖动此探针相对于待测样品的表面做二维(X-Y方向)扫描的机构。其三为保证在每一探测位置针尖与样品间距为一定的距离(极近的)的控制系统。目前，世界上仅有几家厂商生产这种近场扫描光学显微镜，其X-Y方向的分辨率一般为50nm.现有探针扫描近场光学显微镜的技术难点皆由探针引起：

1.高通光效率的探针还在研究中，探针通光少了就要使用极高灵敏度的探测器。这将导致在没有光电倍增管的工作波段(光学波段)很难达到适当的信噪比。

2.针尖至样品被探测点的间距控制及扫描控制，这种机构对平坦样品尚可克服技术难点，但对不平样品就几乎难以实现超近距离的间距控制及扫描控制。

3.控制探针的激光束及探针本身的附属机构都使得样品不可能再被其他探测方法同时观测，因而几乎不存在多方法联用的可能性。

4.由于探针通光效率的低下，经探针所搜集的光信号很难再经过分光系统去做光谱探测。

5.针尖与样品间距的控制系统的存在使得这种显微镜耐受外加场的可能性很小，而研究外场，例如高压场或各种强度恒定或变化电磁场作用下的细胞变化是人类在社会发展中所共同关注的课题。

发明内容

本发明提出一种光学波段的近场显微镜，目的在于免去探针，从而也免去为保证针尖到样品表面极近距离的保持技术及其相关系统，同时能够实现超衍射限分辨率成像和光谱探测。

本发明的一种光学波段的近场显微镜，包括顺序紧密排列的近场取景窗、近场编码板、转换光波导和光电探测器；近场取景窗为一矩形透光窗；近场编码板为在能遮挡工作波段光的亚波长厚度材料上的亚波长小孔阵列，该小孔阵列按循环s矩阵分布，小孔孔径小于或远小于瑞利判据中的r值；转换光波导中间芯为透光材料，外侧面为反光膜或低折射率材料，经取景窗过来的光在近场编码板区域的小孔中被提取并在转换光波导中从近场瞬失波逐步转化成传导波送往后续装置。

所述的光学波段的近场显微镜，其特征在于所述近场编码板的亚波长小孔阵列大小可以为：3阶、7阶、11阶、15阶、19阶、23阶、31阶、35阶、43阶、47阶、63阶、71阶、79阶、83阶、103阶、127阶、255阶、511阶、1023阶、2047阶或4095阶，折叠方式为二维排列的一维编码板或二维编码板；所述近场编码板的亚波长小孔端面形状为圆形、三角形、四边形、或多边形；小孔垂直方向形状为圆台、圆柱、棱台、棱柱、台阶式，或为C型、W型等异型结构。

所述的光学波段的近场显微镜，使用于大视场时，所述转换光波导和光电探测器之间可以加入会聚光路。

所述的光学波段的近场显微镜，更进一步扩大视场使用时，所述取景窗由原来的一个扩大到M个相同面积的大取景窗，所述近场编码板为M块二维排列一维编码的循环S矩阵编码板密接排列，每个编码板后接一个独立的、与编码板尺寸相同的片状光波导，分别传送各自对应的编码板送过来的近场光信号，M片片状光波导密接排列叠在一起，构成所述转换光波导，转换光波导的出口端接以一维排列的一维狭缝扩大视场编码板，狭缝宽度对应每块独立片状光波导的宽度，狭缝高为光波导的长度，一维狭缝扩大视场编码板后再接一传输光波导接受取景窗传过来的复合信号，然后经会聚光路送往光电探测器，所述M＝2-1000。

所述的光学波段的近场显微镜，使用于光谱分析时，紧邻所述光波导的出射端接一分光系统，在分光系统的光谱面上放置一块做有一维排列的狭长缝列阵光谱编码板，狭长缝的一次编码区中的缝数即为光谱的谱线根数，编码方式与所述近场编码板的一维编码方式相同，紧接于狭长缝列阵光谱编码板为一相应工作波长的会聚光路，然后连接光电探测器。

所述的光学波段的近场显微镜，更进一步扩大视场并使用于光谱分析时，所述取景窗可以由原来的一个扩大到M个相同面积的大取景窗，所述近场编码板为M块二维排列一维编码的循环S矩阵编码板密接排列，每个编码板后接一个独立的、与编码板尺寸相同的片状光波导，分别传送各自对应的编码板送过来的近场光信号，M片片状光波导密接排列叠在一起，构成所述转换光波导，转换光波导的出口端再接以一维排列的一维狭缝扩大视场编码板，狭缝宽度对应每块独立片状光波导的宽度，狭缝高为光波导的长度，一维狭缝扩大视场编码板出口端接传输光波导，传输光波导的出口上安放分光系统，分光系统的谱面上安放一维狭缝光谱编码板，一维狭缝光谱编码板后再接会聚光路送往光电探测器，所述M＝2-1000。

上述的光学波段的近场显微镜，更进一步扩大视场并使用于光谱分析时，还可以前面部分的结构与上述相同，传输光波导的出口上安放分光系统，但分光系统的谱面上可以接会聚光路送往面阵或线阵电荷耦合器件，所述M＝2-1000。

光学波段系指包括紫外光、可见光、红外光直至1mm波长的电磁波谱段的电磁波；衍射限分辨率是指以瑞利判据：

所限定的物体上最小可分辨两相邻点间的距离，其中r：表示物体上最小可分辨两相邻点间的距离，λ：工作波长，n：镜头折射率，

镜头通光口径的半张角。

亚波长小孔阵列是指制作到能阻挡工作光波的基质上的按一定规律排列的通光小孔阵列，小孔孔径小于或远小于瑞利判据中的r值，阵列的型式为循环s矩阵，以循环s矩阵的阵列型式做近场信息编码时理论上可获得最大信噪比；编码是指对待观测样品的一个确定尺寸的观察区而言，让穿过样品的工作波长为λ(或为Δλ)的光中为这个确定尺寸的观察区所界定的那部分光通过上述亚波长小孔阵列中的一个个邻接的指定区域，并籍助紧接于上述亚波长小孔阵列的光波导(与工作光波波长λ或为Δλ相对应的)，将通过观察区所界定这一个指定的亚波长小孔阵列的某一部分(子阵列)的多路小孔传送过来的光近场信息混合起来逐次送入一个后置光电探测器，转换成一系列电信号，此电信号的值与子阵列对应，电信号的个数即为子阵列的个数；这一系列电信号经解码算法还原出确定尺寸的观察区所对应的待观测样品表面的二维光近场分布图像；此图像的分辨率被亚波长小孔的特征尺寸所决定，小孔的特征尺寸可为小孔的直径(当圆孔时)、边长(当为正方形或矩形)、外接或内切圆直径(当为三角形、多边形等异型)。若在光波导的出射端与光电探测器之间，紧邻光波导的出射端接一分光系统，在分光系统的光谱面上再放置一块做有狭长缝列阵的编码板，光谱面的尺寸即为对此光谱编码的区域大小，编码方式同于前述近场信息成像编码的方式，编码板仍然紧接于一相应波长的光波导，然后送往光电探测器，并得到与前述每一近场信息二维图像获取过程中的每一编码区(即子阵列)相对应的一系列光谱编码信号，这样将最终获得一个三维的图像光谱编码信号值的集合，再经解码即可得到待观测样品的一个确定观察区的多光谱近场图像，其光谱谱线的个数等于对光谱面做一次编码的狭长缝列阵的缝的个数，每个光谱的谱宽即为光谱面的总宽度除以此编码狭长缝列的总缝数。

本发明的优越性为：

(1)空出了样品的上或下半面，可以供多观察手段联用，如观察细胞时与膜片钳联用。

(2)由于没有针尖到样品表面纳米间距的控制(现行仪器采用激光锈导的切向力控制)，因而可以在研究细胞与激光束相互作用(如光化学键接PTB)的同时进行亚细胞水平的观察，不会发生作用束激光与控制信号干拢；系统承受外场如高电压电场，或其他电磁场作用能力大为增强。

(3)样品可以在液态或气态介质中，只要液态介质不侵蚀码板上的保护膜就可以照常工作，这为细胞及材料研究提供了新观察平台。

(4)新装置可以在对样品做纳米分辨率的成像观察同时，获取每一像元的光谱，而得到样品的纳米分辨图像的多光谱信息，此功能极大地增加了新仪器的分析能力。

(5)新仪器的可见光波段分辨率与现有探针扫描近场光学显微镜相似，为50nm左右，带光谱分析的仪器的光谱分辨力为6nm左右，图像分辨率则为100nm或50nm左右。

附图说明

图1.本发明的实施例示意图；

图2.本发明用于光谱分析时的实施例示意图；

图3.样品池和取景窗剖视图；

图4.用于本发明的63阶循环S矩阵二维排列一维编码板；

图5.用于本发明的63阶循环S矩阵二维排列二维编码板照片；

图6.图5的示意图；

图7.用于本发明扩大视场的成像系统的一维排列一维扩大视场编码板；

图8.本发明用于扩大视场近场编码成像系统示意图；

图9.本发明用于扩大视场近场编码成像光谱系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明详细说明。

图1、图3所示为本发明的一个实施例，取景窗1按63阶为例可为7×9或9×7阵列界定的一矩形透光窗，做在样品池的紧贴样品一面器壁3上；不透明材料膜2覆盖器壁3的外侧面。而与取景窗1紧挨着的就是近场编码板5，近场编码板是制作在一转换光波导6的端面上，以便经取景窗过来的光在其所限的区域中的那些小孔中被提取并在转换光波导中从近场瞬失波逐步转化成传导波送往后续装置。转换光波导6结构为一端面圆形的圆柱或圆台(或端面方形、多边形的棱柱或棱台)透光材料，外侧包覆了反光膜或低折射率(与中间芯材料相比)材料，以便使从一端进入的光尽可能多地从另一端透出。其入射端面上镀制了不透光的膜，膜厚仅需达到不透光即可，或紧贴于一不透光基质材料，此材料厚度亦需尽可能薄，以不透光为好。转换光波导6在可见光、近红外、紫外均可利用通讯光纤，而在远红外及亚毫米波，则另外制作。工作波长为λ(或为Δλ)的光穿过样品4、为取景窗1所界定的那部分光通过上述近场编码板亚波长小孔阵列中的一个个邻接的指定区域，并籍助紧接于上述亚波长小孔阵列的光波导(与工作光波波长λ或为Δλ相对应的)，将通过观察区所界定这一个指定的亚波长小孔阵列的某一部分(子阵列)的多路小孔传送过来的光近场信息混合起来，经会聚光路7(大视场时，小视场也可不用会聚光路)逐次送入一个后置光电探测器12，转换成一系列电信号，此电信号的值与子阵列对应，电信号的个数即为子阵列的个数；这一系列电信号经解码算法还原出确定尺寸的观察区所对应的待观测样品表面的二维光近场分布图像；

图2为本发明用于光谱分析时的实施例示意图；转换光波导6之前为执行图像编码的编码板5-1，在转换光波导6的出射端与光电探测器12之间，紧邻光波导的出射端接一分光系统13，在分光系统13的光谱面上再放置一块做有狭长缝列阵的编码板5-2，执行光谱编码；光谱面的尺寸即为对此光谱编码的区域大小，编码方式同于前述近场信息成像编码的方式，编码板5-2紧接于一相应波长的会聚光路7，然后送往光电探测器12，并得到与前述每一近场信息二维图像获取过程中的每一编码区(即子阵列)相对应的一系列光谱编码信号，这样将最终获得一个三维的图像光谱编码信号值的集合，再经解码即可得到待观测样品的一个确定观察区的多光谱近场图像，其光谱区段的个数等于对光谱面做编码的狭长缝列阵的缝的个数，每个光谱的谱宽即为光谱面的总宽度除以此编码狭长缝列的总缝数。

图4为一个63阶循环S矩阵二维排列一维编码板的亚波长小孔阵列，亚波长小孔阵列可以做在一块能挡工作波段光的整体材料上，也可以做在对工作波段光透明的整体材料上能挡工作波段光的膜上。

编码小孔的尺寸即为此显微镜的分辨率基本尺寸，而小孔形状可有多种构型，其端面形状可为圆(或三角形、四边形、多边形)，其垂直端面方向可为圆台、圆柱或棱台、棱柱或台阶式，亦可为异型结构，如C型、W型等。二维排列一维编码板在工作时，扫描方式为一维。

图5、图6为用于本发明的63阶循环S矩阵二维排列二维编码板示意图；图6方格中的0代表通光小孔，没有0的代表不通光。二维排列二维编码板在工作时，扫描方式按之字(S形)路线二维扫描。

图7为用于本发明扩大视场的成像系统的七阶一维排列一维扩大视场编码板示意图，也可以用于光谱编码，其中的0代表通光缝，没有0的代表不通光。

本发明可以用于更进一步扩大视场近场编码成像系统和更进一步扩大视场近场编码成像光谱系统，其基本方式是：

1.一维编码板多路并列的方式扩大视场，对一维编码驱动不增添任何要求；

2.多路传出编码信号应制作与路数相等的层数的多层光波导；

3.多层光波导可与多个探测器直连以便实现多路信号转换与采集、分析、成像；

4.多层光波导亦可再经一维编码而重新组合成一路信号，用前述的一路一维编码方式获得信号并最终成像；

5.扩大视场技术中同样可以引入光谱探测，引入方式同前，即在多路信号分别探测之前引入分光系统及光谱编码即可。

如图8所示，仍以63阶码板为例，二维排列一维编码的循环S矩阵编码板为前述图4所示，再复制六块相同的63阶码板，密接排列七块，构成扩大视场编码板8；此时取景窗由原来的一个扩大到7个相同面积的大取景窗1，视场就变成了这个大取景窗的大小。每个编码板后接一个独立的光波导，此光波导为片状，与编码板尺寸相同，七片光波导叠在一起，构成多路转换光波导9，但分别传送各自对应的编码板送过来的近场光信号。七片叠在一起的多路转换光波导出口端可再接以图7所示的一维排列的一维狭缝扩大视场编码板10，共七片，狭缝宽度正好对应每块独立片状光波导的宽度，狭缝高为光波导的长度，此狭缝扩大视场编码板10后再接一传输光波导14接受大取景窗1(七合一)尺寸传过来的复合信号，然后经会聚光路7送往光电探测器12(光电倍增管或光电探测器，)这就是扩大视场成像的例子。

如图9所示，若扩大视场同时还要得到光谱，则应对前述七片一维狭缝扩大视场编码板10出口端接传输光波导11，并在传输光波导11的出口上安放分光系统13，再在分光系统13的谱面上安放与上述七块63阶编码板9构型类似的一个15阶一维狭缝光谱编码板15，然后经会聚光路7送往光电探测器12(光电倍增管或光电探测器)。计算机接收光电探测器12的输出，然后进行解码计算，解码的过程则应兼顾到光谱与成像两部分，先解出光谱然后解出图像。计算机的输出可以有两种方式，其一为每个单色的图像；其二为图像及其每个像元的光谱曲线。也可以在分光系统13出口谱面上以面阵CCD接受光谱信号，然后按编码信息的次序从CCD的读出数据中分离出各路光谱信息再逐一解算出各路光谱对应的图像信息。

Claims (8)

1.一种光学波段的近场显微镜，包括顺序紧密排列的近场取景窗、近场编码板、转换光波导和光电探测器；近场取景窗为一矩形透光窗；近场编码板为在能遮挡工作波段光的亚波长厚度材料上的亚波长小孔阵列，该小孔阵列按循环s矩阵分布，小孔孔径小于或远小于所工作光波波段的衍射限分辨率r值，

其中，λ：工作波长，n：镜头折射率，

：镜头通光口径的半张角；转换光波导中间芯为透光材料，外侧面为反光膜或低折射率材料，经取景窗过来的光在近场编码板的小孔中被提取并在转换光波导中从近场瞬失波逐步转化成传导波送往后续装置。

2.如权利要求1所述的光学波段的近场显微镜，其特征在于所述近场编码板的亚波长小孔阵列大小可以为：3阶、7阶、11阶、15阶、19阶、23阶、31阶、35阶、43阶、47阶、63阶、71阶、79阶、83阶、103阶、127阶、255阶、511阶、1023阶、2047阶或4095阶，折叠方式为二维排列的一维编码板或二维编码板；所述近场编码板的亚波长小孔端面形状为圆形、三角形、四边形、或多边形；小孔垂直方向形状为圆台、圆柱、棱台、棱柱、台阶式，或为C型、W型异型结构。

3.如权利要求1或2所述的光学波段的近场显微镜，其特征在于使用于大视场时，所述转换光波导和光电探测器之间加入会聚光路。

4.如权利要求3所述的光学波段的近场显微镜，其特征在于更进一步扩大视场使用时，所述取景窗由原来的一个扩大到M个相同面积的大取景窗，所述近场编码板为M块二维排列一维编码的循环S矩阵编码板密接排列，每个编码板后接一个独立的、与编码板尺寸相同的片状光波导，分别传送各自对应的编码板送过来的近场光信号，M片片状光波导密接排列叠在一起，构成所述转换光波导，转换光波导的出口端接以一维排列的一维狭缝扩大视场编码板，狭缝宽度对应每块独立片状光波导的宽度，狭缝高为光波导的长度，一维狭缝扩大视场编码板后再接一传输光波导接受取景窗传过来的复合信号，然后经会聚光路送往光电探测器，所述M＝2-1000。

5.如权利要求1或2所述的光学波段的近场显微镜，其特征在于使用于光谱分析时，紧邻所述光波导的出射端接一分光系统，在分光系统的光谱面上放置一块做有一维排列的狭长缝列阵光谱编码板，狭长缝的一次编码区中的缝数即为光谱的谱线根数，编码方式与所述近场编码板的一维编码方式相同，紧接于狭长缝列阵光谱编码板为一相应工作波长的会聚光路，然后连接光电探测器。

6.如权利要求3所述的光学波段的近场显微镜，其特征在于使用于光谱分析时，紧邻所述光波导的出射端接一分光系统，在分光系统的光谱面上放置一块做有一维排列的狭长缝列阵光谱编码板，狭长缝的一次编码区中的缝数即为光谱的谱线根数，编码方式与所述近场编码板的一维编码方式相同，紧接于狭长缝列阵光谱编码板为一相应工作波长的会聚光路，然后连接光电探测器。

7.如权利要求6所述的光学波段的近场显微镜，其特征在于更进一步扩大视场并使用于光谱分析时，所述取景窗由原来的一个扩大到M个相同面积的大取景窗，所述近场编码板为M块二维排列一维编码的循环S矩阵编码板密接排列，每个编码板后接一个独立的、与编码板尺寸相同的片状光波导，分别传送各自对应的编码板送过来的近场光信号，M片片状光波导密接排列叠在一起，构成所述转换光波导，转换光波导的出口端再接以一维排列的一维狭缝扩大视场编码板，狭缝宽度对应每块独立片状光波导的宽度，狭缝高为光波导的长度，一维狭缝扩大视场编码板出口端接传输光波导，传输光波导的出口上安放分光系统，分光系统的谱面上安放一维狭缝光谱编码板，一维狭缝光谱编码板后再接会聚光路送往光电探测器，所述M＝2-1000。

8.如权利要求6所述的光学波段的近场显微镜，其特征在于更进一步扩大视场并使用于光谱分析时，所述取景窗由原来的一个扩大到M个相同面积的大取景窗，所述近场编码板为M块二维排列一维编码的循环S矩阵编码板密接排列，每个编码板后接一个独立的、与编码板尺寸相同的片状光波导，分别传送各自对应的编码板送过来的近场光信号，M片片状光波导密接排列叠在一起，构成所述转换光波导，转换光波导的出口端再接以一维排列的一维狭缝扩大视场编码板，狭缝宽度对应每块独立片状光波导的宽度，狭缝高为光波导的长度，一维狭缝扩大视场编码板出口端接传输光波导，传输光波导的出口上安放分光系统，分光系统的谱面上接会聚光路送往面阵或线阵电荷耦合器件，所述M＝2-1000。

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