CN106444069B - 空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统
技术领域
本发明涉及一种成像系统，特别涉及一种空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明的技术方案为：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。
本发明的有益效果在于：本发明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为本发明空心介质微球透镜的结构和特性参数示意图；
图2为本发明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、介质微球透镜和本发明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、介质微球透镜和本发明空心介质微球透镜的聚焦特性比较图；
图5为显微物镜、介质微球透镜和本发明空心介质微球透镜的聚焦焦斑的旁瓣比较图；
图6为本发明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n 0 ，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，但并不限制本发明的权利要求。
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（FDTD algorithm）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。

Claims (3)

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，再将待测样品放置在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的远场超分辨成像系统，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述空心介质微球辅助的远场超分辨成像系统，其特征在于，
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，内层空心球体直径和外层球体直径比值在0.2至0.8之间。
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