CN109374578B - 一种移频量调控方法以及基于该方法的超分辨显微成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种移频量调控方法，样品放置在波导表面，从至少两个不同方向同时向所述波导输入光产生干涉条纹对样品照明；改变不同方向输入光之间的夹角，对移频量进行调控。本发明还公开一种利用上述移频量调控方法的超分辨显微成像方法。本发明基于移频量调控技术，可实现同时具有大视场、快速及超高分辨率的超分辨显微成像，在细胞分子学、生物医学、材料科学等领域具有重要意义。

Description

一种移频量调控方法以及基于该方法的超分辨显微成像方法
技术领域
本发明属于移频超分辨显微成像领域，尤其涉及一种移频量调控方法以及基于该方法的超分辨显微成像方法。
背景技术
大视场、快速、高分辨率的成像与探测具有重要的实用意义。移频技术可以突破传统成像与探测器件的带宽限制，在视场大、速度快上具有显著优势。然而，分辨率不够高是目前移频技术，尤其是基于移频的超分辨显微成像领域的主要难题。
目前，移频超分辨显微成像的分辨率只能在衍射极限的基础上将分辨率提高2～3倍。限制分辨率提升的根本原因在于，当使用更高波矢的照明光在频谱空间对样品更高频的成分进行搬移从而实现远场探测时，被搬移的高频成分与原本可探测到的基频成分之间会出现一段无法探测到的频谱范围，而这一频谱缺失使重构出的成像具有严重的散斑噪声与变形，而且使成像中的频谱解调变得非常困难。
如公开号CN103048272B提供的一种基于倏逝场照明的移频超分辨显微成像方法，包括以下几个步骤：1)入射照明光倾斜照射在基板介质分界面上进行全反射并产生倏逝场；2)使用倏逝场对样品表面进行照明，并通过显微镜接收样品表面的强度图像；3)对强度图像进行傅里叶变换得到相应频谱，对所得到的频谱进行还原，得到相应的频谱还原图像；4)绕样品多次改变入射照明光方向，直至入射照明光方向覆盖0～360°，得到不同方向下的频谱还原图像；5)对不同方向下的频谱还原图像进行叠加，得到完整的高频频谱图像；6)对完整高频频谱图像进行傅里叶反变换，得到观察样品的超分辨显微图像。在该技术中，移频的方向可以通过改变入射照明方向进行调节，但移频量的大小由倏逝场的切向波矢确定，无法调节；因此为了避免缺频，倏逝场的切向波矢不可以大于物镜截止频率的2倍，从而限制了可实现的分辨率。
发明内容
为了解决深移频中频谱缺失的难题，打破分辨率提升面临的限制，需开发一种在超高波矢照明同时又可对移频量宽范围调控，从而实现频谱空间的无缺失宽范围探测的技术成为了关键。基于移频量调控技术，可实现同时具有大视场、快速及超高分辨率的超分辨显微成像，在细胞分子学、生物医学、材料科学等领域具有重要意义。
本发明提供一种移频量调控方法，样品放置在波导表面，从至少两个不同方向同时向所述波导输入光产生干涉条纹对样品照明；
改变不同方向输入光之间的夹角，对移频量进行调控。
输入宽度可保证输入的模式在波导中不会发生明显衍射，作为优选的，所述输入光的宽度大于波长的10倍。另外，波导具有合适的厚度，应保证波导表面用于照明的倏逝波的强度。
作为优选的，所述波导为多边形，每条边对应不同方向的输入光，所述波导的边长大于波长的10倍。
进一步优选的，在具体的实施例中，所述波导为十边形，每条边对应不同方向的输入光。所述波导的边长为100μm，厚度为500nm。
上述的十边形波导以及波导的尺寸仅是一种优选的方案，还可以是其他多边形的波导。
本发明还提供一种基于移频量可调的超分辨显微成像方法，样品放置在波导表面，从至少两个不同方向同时向所述波导输入光产生干涉条纹对样品照明；
改变不同方向输入光之间的夹角，对移频量进行调控；
拍摄多幅不同夹角下对应的样品照片，并从频移量低到高的顺序进行重构，实现超高分辨率成像。
将移频量进行调控，应用于超分辨显微成像中可对样品频谱实现无缺频的宽范围探测，进而重构出完整无变形的超高分辨率成像。
输入宽度可保证输入的模式在波导中不会发生明显衍射，作为优选的，所述输入光的宽度大于波长的10倍。
进一步优选的，在具体的实施例中，所述波导为十边形，每条边对应不同方向的输入光。所述波导的边长为100μm，厚度为500nm。
上述的十边形波导以及波导的尺寸仅是一种优选的方案，还可以是其他多边形的波导。
进一步的，在频谱重构过程中，利用校正算法去除模式强度分布不均匀引起的干扰。
本发明具有的有益效果是：集成性好，可批量生产，易于操作。应用于超分辨成像中具有大视场、快速成像与超高分辨率的特点。
附图说明
图1是基于十边形波导的示例图。
图2是基于十边形波导的对频移量与频移方向进行调制的示意图。
图3包括频移量可调的深移频显微成像对应的频谱探测范围(a图)、对深亚波长尺度样品的成像(b图)以及对两颗间距50nm的荧光颗粒的成像描出的强度曲线(c图)。
图中：I、多边形波导；II、干涉条纹；III、样品。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
样品III防止在多边形波导I的表面，从不同方向的输入口进入多边形波导I的光产生干涉条纹II照明样品。
本实施例中，以十边形波导(但不限于十边形)为例，如图1所示。通过不同的输入口组合，可以调节输入的两个模式传输方向的夹角。夹角越小，干涉条纹II的周期越大，对应的空间频率即成像移频量越小。其中，从i输入口(i＝1，2……边数/2)与i+1输入口输入的两个模式传输方向之间的夹角最小；从i输入口(i＝1，2……边数/2)与i+5输入口输入的两个模式传输方向之间的夹角最大，为180度。图2显示了采用不同的输入口组合时，对干涉条纹的方向与周期的调节。
在成像过程中，需要i输入口与i+j输入口输入模式进行干涉，其中i＝1，2……边数/2，j＝1，2……边数/2，在十边形波导的情况下，共有25对组合。每一对组合下拍到的照片对应的频谱是基频成分与不同位置的高频成分的叠加。需要改变两个模式之间的相位差，拍3幅照片用于对叠加的频谱进行解调，使高频成分与基频成分分离。相位调制可以在将光耦合进入波导之前实现，也可直接将波导型相位调制器集成于芯片上。
利用拍摄的照片对样品的形貌进行重构。重构时，从频移量低到高的顺序进行重构。即首先使用i输入口与i+1输入口输入模式进行干涉拍到的照片进行频谱重构，最后使用i输入口与i+5输入口输入模式进行干涉拍到的照片进行频谱重构(其中i＝1，2……边数/2)。
应用举例
使用磷化镓材料(折射率3.73@470纳米波长)制备十边形波导，100μm边长，500nm厚度。使用470纳米波长的激发光。物镜的NA为0.9。荧光颗粒的发光波长在500纳米。不同的输入口组合对应的频谱探测范围如图3(a)所示。对散布的荧光颗粒成像如图3(b-c)所示。可以获得50纳米即λ/10的分辨率，分辨率相比于衍射极限提高了5.4倍。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种移频量调控方法，其特征在于，样品放置在波导表面，从至少两个不同方向同时向所述波导输入光产生干涉条纹对样品照明；
不同方向输入光可任意两两相互干涉，改变不同方向输入光之间的夹角，对移频量进行调控，且记录下波导模式强度分布的不均匀性。
2.如权利要求1所述的移频量调控方法，其特征在于，所述输入光的宽度大于波长的10倍。
3.如权利要求1所述的移频量调控方法，其特征在于，所述波导为多边形，每条边对应不同方向的输入光，不同方向输入光可任意两两相互干涉，且记录下波导模式强度分布的不均匀性。
4.如权利要求3所述的移频量调控方法，其特征在于，所述波导的边长大于波长的10倍。
5.一种基于移频量可调的超分辨显微成像方法，其特征在于，样品放置在波导表面，从至少两个不同方向同时向所述波导输入光产生干涉条纹对样品照明；不同方向输入光可任意两两相互干涉；
改变不同方向输入光之间的夹角，对移频量进行调控；
拍摄多幅不同夹角下对应的样品照片，结合记录下的波导模式强度分布的不均匀性，从频移量低到高的顺序进行重构，实现超高分辨率成像。
6.如权利要求5所述的基于移频量可调的超分辨显微成像方法，其特征在于，所述输入光的宽度大于波长的10倍。
7.如权利要求5所述的基于移频量可调的超分辨显微成像方法，其特征在于，所述波导为多边形，每条边对应不同方向的输入光，不同方向输入光可任意两两相互干涉，且记录下波导模式强度分布的不均匀性。
8.如权利要求7所述的基于移频量可调的超分辨显微成像方法，其特征在于，所述波导的边长大于波长的10倍。
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