CN110361364B - 一种微纳结构成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微纳结构成像方法及装置，属于微纳结构成像技术领域，解决了现有微纳结构成像过程中由于表面等离激元的传输长度导致的图像分辨率降低的问题。一种微纳结构成像方法，包括：将待成像微纳结构样品放置在表面等离激元激发平面上；分别从两个或多个不同的方向入射光源并在所述微纳结构样品位置激发表面等离激元，获得对应的两个或多个微纳结构样品的成像图像；基于所述两个或多个微纳结构样品的成像图像进行图像重建，得到微纳结构样品的成像结果。该方法极大提高的图像分辨率与成像质量。

Description

一种微纳结构成像方法及装置

技术领域

本发明涉及微纳结构成像技术领域，尤其涉及一种微纳结构成像方法及装置。

背景技术

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是入射光波与金属表面的自由电子发生共振从而形成的一种沿金属-介质界面传播的倏逝波。激发的倏逝波在沿界面传播过程中遇到待测样品，使倏逝波从金属—空气界面处变化为金属—待测样品界面处传输，导致倏逝波传输状态改变，这种传输状态变化将随泄漏辐射效应传输至远场，被图像传感器接收，表现为成像中反射光强度的变化。但是，由于表面等离激元的传输长度的影响，导致了图像的分辨率的降低。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供微纳结构成像方法及装置，用以解决现有微纳结构成像过程中由于表面等离激元的传输长度导致的图像分辨率降低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种微纳结构成像方法，包括：

将待成像微纳结构样品放置在表面等离激元激发平面上；

分别从两个或多个不同的方向入射光源并在所述微纳结构样品位置激发表面等离激元，获得对应的两个或多个微纳结构样品的成像图像；

基于所述两个或多个微纳结构样品的成像图像进行图像重建，得到微纳结构样品的成像结果。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，在图像重建后，还包括对重建得到的图像进行消噪声处理，得到微纳结构样品的成像结果，包括：

根据重建得到的图像，确定像素分割阈值；

依次判断所述微纳结构重建结果中每一像素点的像素值，若大于所述像素分割阈值，则保留；否则，将该像素点的像素值置为0。

进一步，所述图像重建，包括：

分别比较所述两个或多个微纳结构样品的成像图像中相应位置像素点的像素值大小，将最大的像素值作为所述微纳结构重建结果中对应像素点的像素值。

进一步，当分别从两个方向入射光源时，第二次光源的入射方向为第一次激光的出射方向。

本发明还提供了一种微纳结构成像装置，包括：

用于激发表面等离激元并承载待成像微纳结构样品的表面等离激元激发平面；

调控激发单元，用于调节光源入射角度，以激发表面等离激元；

图像传感器，用于当分别从两个或多个不同的方向入射光源并在所述微纳结构样品位置激发表面等离激元时，获得对应的两个或多个微纳结构样品的成像图像；

图像处理单元，用于基于所述两个或多个微纳结构样品的成像图像进行图像重建，得到微纳结构样品的成像结果。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述外界调控激发单元包括：光源发射器、扩束组合镜组、偏振片、二维线性电动平台、第一透镜、第一反射镜、第二透镜、第二反射镜、薄膜分束器、油浸物镜；

所述光源发射器发出的照明光依次经过扩束组合镜组、偏振片入射至第一反射镜表面，从第一反射镜表面反射的光依次经过第一透镜、第二反射镜、薄膜分束器、油浸物镜入射至所述表面等离激元激发平面；

从所述表面等离激元激发平面反射的光依次经油浸物镜、薄膜分束器及第二透镜，入射至所述图像传感器；

所述第一反射镜与第一透镜设置于所述二维线性电动平台上。

进一步，通过调整所述二维线性电动平台的位置，使得所述光源发射器的发出的照明光从两个或多个不同的方向入射并激发表面等离激元至所述微纳结构样品。

进一步，所述外界调控激发单元包括棱镜、偏振片、光源发射器、第三透镜、第四透镜、第五透镜；

所述表面等离激元激发平面与所述棱镜的底面平行设置，所述表面等离激元激发平面基底与所述棱镜具有相同折射率，并在二者间设置折射率匹配液体；

所述光源发射器发射的照明光依次经过所述第三透镜、偏振片垂直入射至所述棱镜的一个界面，从所述表面等离激元激发平面反射的光依次经由所述棱镜的另一个界面、第四透镜、第五透镜，入射至所述图像传感器；

调整所述表面等离激元激发平面与所述棱镜的底面的相对位置，使得所述光源发射器的发出的照明光从两个或多个不同的方向入射并激发表面等离激元至所述微纳结构样品。

进一步，所述图像处理单元执行下述流程得到微纳结构样品的成像结果：

获取重建图像：分别比较所述两个或多个微纳结构样品的成像图像中相应位置像素点的像素值大小，将最大的像素值作为所述微纳结构重建结果中对应像素点的像素值；

对重建得到的图像进行消噪声处理，得到微纳结构样品的成像结果：

根据重建得到的图像，确定像素分割阈值；

依次判断所述微纳结构重建结果中每一像素点的像素值，若大于所述像素分割阈值，则保留；否则，将该像素点的像素值置为0。

本发明有益效果如下：本发明提供的微纳结构成像方法，通过从两个或多个不同的方向入射光源，获取了较为完整的微纳样本信息，通过图像重建消除了传统表面等离激元成像传输长度对成像质量的影响；通过阈值处理消除了传统表面等离激元成像背景噪声对成像质量的影响。既可以弥补光学显微镜无法对纳米物质成像的不足，又补偿了电子显微镜等传统纳米显微仪器检测时间长、成本高、真空操作等缺点。与传统单通表面等离激元成像相比，该方法极大提高的图像分辨率与成像质量。同时，该方法成本低、检测性能稳定、检测速度快、灵敏度高、可用于石墨烯便携式检测，还可扩展到病毒与细胞检测等应用中，可广泛应用于实验室与各种外环境中。由于本发明中装置与方法基于同样的原理，所以本发明中装置也具有上述方法实施例相应的技术效果。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的微纳结构成像方法流程图；

图2(a)为采用本实施例装置从上而下激发表面等离激元对石墨烯成像结果；

图2(b)为采用本实施例装置从下而上激发表面等离激元对石墨烯成像结果；

图2(c)为对图2(a)、图2(b)进行图像重建后的结果；

图2(d)为阈值处理后得到的微纳结构成像结果；

图3(a)为采用物镜耦合方式采样得到的光路1；

图3(b)为采用物镜耦合方式采样得到的光路2；

图4(a)为采用棱镜耦合方式采样得到的光路1；

图4(b)为采用棱镜耦合方式采样得到的光路2。

附图标记：

1-激光器；2-扩束组合镜组；3-偏振片；4-二维线性电动平台；5-第一反射镜；6-第一透镜；7-第二反射镜；8-薄膜分束器；9-油浸物镜；10-镀金盖玻片；11-第二透镜；12-棱镜；13-第三透镜；14-第四透镜；15-第五透镜；16-CCD。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种微纳结构成像方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：将待成像微纳结构样品放置在表面等离激元激发平面上；优选地，表面等离激元激发平面可以具体为镀金属盖玻片玻璃高折射率介质片，具体可以选择金或者银玻璃片作为激发金属媒介；

步骤S2：分别从两个或多个不同的方向入射光源并在所述微纳结构样品位置激发表面等离激元，获得对应的两个或多个微纳结构样品的成像图像；优选地，不同方向入射光源的入射角度相同。优选地，当分别从两个方向入射光源时，第二次光源的入射方向为第一次激光的出射方向；优选地，入射光源为窄带单色光，如激光、窄带LED光源等。

在本实施例中，以从两个方向入射光源为例，对本发明中方法做如下说明：图2(a)、图2(b)为利用物镜耦合方式、分别从上而下激发表面等离激元和从下而上激发表面等离激元对石墨烯单一方向成像的结果。该成像结果经由CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件，又称图像传感器)采集得到。通过分析图像可知，当从上往下入射时(图2(a)所示)，由于极化效应上边缘清晰且极化强度大(极化强度大即像素值高)；调整入射角，当从下往上入射时(图2(b))，下边缘清晰且极化强度大。因此，在两次成像中，边缘的像素值永远比内部要高；且成像的图像仅一侧边缘清晰，另一侧边缘模糊。由于表面等离激元传输长度影响，使样品成像结果呈现在沿表面等离激元入射方向边缘清晰、而与表面等离激元入射相反方向边缘模糊的特点。因此，由于表面等离激元传输长度的影响，对样品进行单一方向的成像会导致一侧边缘信息的丢失；为此，本实施例提出了对同一样品进行两个方向的检测，从而保证样品两侧的边缘信息都能被检测到。

此外，本实施例通过下述图像处理步骤，不仅可以恢复样品原本的形貌与边缘信息，还可以完全消除传输长度与干涉条纹对成像质量的影响。

步骤S3：基于所述两个或多个微纳结构样品的成像图像进行图像重建，得到微纳结构样品的成像结果；具体地，可利用最大滤波算法进行图像重建：将两张图像或多张图像相应位置的像素值进行单独比较，取像素的最大值作为输出图像中相应位置像素点的像素值。图2(c)为图2(a)、图2(b)重建后的图像，可以明显看出，重建后的图像消除了传输长度的影响，完整地保留了上下两边缘的信息。

由于干涉条纹的影响，如图2(a)中，样品的边缘会出现细小的黑白条纹，并且该条纹在重建后也没有完全消失(图2(c)中可见)。因此，需要对重建得到的图像进行消噪声处理。由于成像特性，该条纹的像素值一般小于样品的像素值，因此，可通过设定合适的阈值予以消除。

步骤S4：对重建得到的图像进行消噪声处理，得到微纳结构样品的成像结果，包括：

步骤S41：根据重建得到的图像，确定像素分割阈值；

像素分割阈值会有一个临界点，不同检测样品对应的临界点不同。超过样品成像的阈值临界点后会影响原本好的成像结果(会使成像区域变黑)。因此，可通过以下方式确定像素分割阈值：以0作为初始阈值，每次向上调整1，直至重建得到的图像中样品成像区域出现黑块，将此时阈值减去1后的结果作为像素分割阈值；

步骤S42：依次判断所述微纳结构重建结果中每一像素点的像素值，若大于所述像素分割阈值，则保留；否则，将该像素点的像素值置为0。

按照上述方法处理图2(c)，得到阈值处理后的微纳结构成像结果，如图2(d)中所示，该图像不仅完整保留了样品的边缘信息，并且消除了其他噪声的影响。与传统SPP成像相比，双通道采样方法不仅消除了传输长度对成像质量的影响，并且极大提高了成像分辨率。

与现有技术相比，本实施例提供的微纳结构成像方法，通过双通道采集获取了较为完整的微纳样本信息，通过图像重建消除了传统表面等离激元成像传输长度对成像质量的影响；通过阈值处理消除了传统表面等离激元成像背景噪声对成像质量的影响。既可以弥补光学显微镜无法对纳米物质成像的不足，又补偿了电子显微镜等传统纳米显微仪器检测时间长、成本高、真空操作等缺点。与传统单通表面等离激元成像相比，该方法极大提高的图像分辨率与成像质量。同时，该方法成本低、检测性能稳定、检测速度快、灵敏度高、可用于石墨烯便携式检测，还可扩展到病毒与细胞检测等应用中，可广泛应用于实验室与各种外环境中。

在本发明的另一实施例中，还提供了一种微纳结构成像装置，包括：用于激发表面等离激元并承载待成像微纳结构样品的表面等离激元激发平面；调控激发单元，用于调节光源入射角度，以激发表面等离激元；图像传感器(本实施例选用的是CCD)，用于当分别从两个或多个不同的方向入射光源并在所述微纳结构样品位置激发表面等离激元时，获得对应的两个或多个微纳结构样品的成像图像；图像处理单元，用于基于所述两个或多个微纳结构样品的成像图像进行图像重建，得到微纳结构样品的成像结果。优选地，表面等离激元激发平面可以为镀金盖玻片；优选地，入射光源为激光(此时需要激光器激发)，当以激光作为光源时，可以选用激光器作为光源发射器。

本实施例中，调控激发单元可通过以下两种方式实现：

1)物镜耦合方式：表面等离激元双通道采样物镜耦合方式装置示意图，如图3所示。

从激光器(1)发出的激光经扩束组合镜组(2)扩束，偏振片(3)实现P偏振，到达第一反射镜(5)与第一透镜(6)；其中，第一反射镜(5)与第一透镜(6)设置于二维线性电动平台(4)上，通过调整二维线性电动平台(4)的位置，使得所述光源发射器的发出的照明光从两个或多个不同的方向入射并激发表面等离激元至所述微纳结构样品：对比图3(a)、3(b)可知，二维线性电动平台(4)的移动使得光入射到第二反射镜的不同位置。在图3(a)中，光线入射到第二反射镜(7)的左半部分，在图3(b)中，平台整体向右移动，使光线入射到第二反射镜(7)的右半部分；因此光线经第二反射镜(7)反射后入射到薄膜分束器(8)的不同位置。入射光经薄膜分束器(8)反射后经过油浸物镜(9)入射到盖玻片(10)下表面(放大图如图中方框所示)。因此，通过线性电动平台的移动实现了入射角度的变换(方向1与方向2)，即实现了对同一样品从相反两方向(一个由左向右，一个由右向左)激发表面等离激元。出射光线最后经过CCD(16)进行收集成像，实现了对样品的进行两次成像。

2)棱镜耦合方式：表面等离激元双通道采样棱镜耦合方式装置示意图，如图4所示。图4基本原理与图3所示相同，不同的地方是将图3中的油浸物镜换成了棱镜，并且没有图3中的二维线性电动平台。因此角度的变换要依靠激光器、CCD和所有透镜组的对调移动，从而实现入射光从相反方向入射。此时的外界调控激发单元包括棱镜(12)、激光器(1)、偏振片(3)、第三透镜(13)、第四透镜(14)、第五透镜(15)；所述镀金盖玻片与所述棱镜的底面平行设置，镀金盖玻片基底与棱镜具有相同折射率，并在二者间设置折射率匹配液体；所述激光器(1)发射的激光依次经过所述第三透镜(13)、偏振片(3)垂直入射至所述棱镜(12)的一个界面，从所述盖玻片(10)反射的光依次经由所述棱镜的另一个界面、第四透镜(14)、第五透镜(15)，入射至所述图像传感器(16)。所述激光器发射的激光还依次经过所述第三透镜(13)、偏振片(3)垂直入射至所述棱镜的另一个界面，从所述盖玻片反射的光依次经由所述棱镜的一个界面、第四透镜(14)、第五透镜(15)，入射至所述图像传感器。

光路1：如图4(a)，从激光器(1)发出的激光聚焦到棱镜(12)后焦平面实现第一次成像。

光路2：如图4(b)，平移对调激光器、CCD及所有棱镜组，从相反方向激发等离激元，实现对样品的二次成像。

优选地，在使用上述调控激发单元激发表面等离激元的过程中，还可以通过调整所述表面等离激元激发平面与所述棱镜的底面的相对位置，使得所述光源发射器的发出的光从两个或多个不同的方向入射并激发表面等离激元至所述微纳结构样品。

所述图像处理单元执行下述流程得到微纳结构样品的成像结果：获取重建图像：分别比较所述两个或多个微纳结构样品的成像图像中相应位置像素点的像素值大小，将最大的像素值作为所述微纳结构重建结果中对应像素点的像素值；对重建得到的图像进行消噪声处理，得到微纳结构样品的成像结果：根据重建得到的图像，确定像素分割阈值；依次判断所述微纳结构重建结果中每一像素点的像素值，若大于所述像素分割阈值，则保留；否则，将该像素点的像素值置为0。图像处理单元的功能可借助于软件及相关硬件实现。

该装置改良了表面等离激元成像方法，提出了双通道成像技术，完整保留了检测样品的边缘信息，可应用于多种微纳尺度物质、二维材料以及病毒、细胞检测等应用中。该装置能够将表面等离激元成像双通道采样技术应用于包括石墨烯在内的多种微纳结构样品的快速检测中。

本发明装置实施例的具体实施过程参见上述方法实施例即可，本实施例在此不再赘述。由于本实施例与上述方法实施例原理相同，所以本系统也具有上述方法实施例相应的技术效果。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微纳结构成像方法，其特征在于，包括：

将待成像微纳结构样品放置在表面等离激元激发平面上；

分别从两个或多个不同的方向入射光源并在所述微纳结构样品位置激发表面等离激元，且不同方向入射光源的入射角度相同，当分别从两个方向入射光源时，第二次光源的入射方向为第一次光源的出射方向；获得对应的两个或多个微纳结构样品的成像图像；

基于所述两个或多个微纳结构样品的成像图像进行图像重建，得到微纳结构样品的成像结果。

2.根据权利要求1所述的微纳结构成像方法，其特征在于，在图像重建后，还包括对重建得到的图像进行消噪声处理，得到微纳结构样品的成像结果，包括：

根据重建得到的图像，确定像素分割阈值；

依次判断所述微纳结构重建结果中每一像素点的像素值，若大于所述像素分割阈值，则保留；否则，将该像素点的像素值置为0。

3.根据权利要求1或2所述的微纳结构成像方法，其特征在于，所述图像重建，包括：

分别比较所述两个或多个微纳结构样品的成像图像中相应位置像素点的像素值大小，将最大的像素值作为所述微纳结构重建结果中对应像素点的像素值。

4.根据权利要求1所述的微纳结构成像方法，其特征在于，所述入射光源为窄带单色光。

5.一种微纳结构成像装置，其特征在于，包括：

用于激发表面等离激元并承载待成像微纳结构样品的表面等离激元激发平面；

调控激发单元，用于调节光源入射角度，以激发表面等离激元；

图像传感器，用于当分别从两个或多个不同的方向入射光源并在所述微纳结构样品位置激发表面等离激元时，获得对应的两个或多个微纳结构样品的成像图像；且不同方向入射光源的入射角度相同，当分别从两个方向入射光源时，第二次光源的入射方向为第一次光源的出射方向；

图像处理单元，用于基于所述两个或多个微纳结构样品的成像图像进行图像重建，得到微纳结构样品的成像结果。

6.根据权利要求5所述的微纳结构成像装置，其特征在于，所述调控激发单元包括：光源发射器、扩束组合镜组、偏振片、二维线性电动平台、第一透镜、第一反射镜、第二透镜、第二反射镜、薄膜分束器、油浸物镜；

所述光源发射器发出的光依次经过扩束组合镜组、偏振片入射至第一反射镜表面，从第一反射镜表面反射的光依次经过第一透镜、第二反射镜、薄膜分束器、油浸物镜入射至所述表面等离激元激发平面；

从所述表面等离激元激发平面反射的光依次经油浸物镜、薄膜分束器及第二透镜，入射至所述图像传感器；

所述第一反射镜与第一透镜设置于所述二维线性电动平台上。

7.根据权利要求6所述的微纳结构成像装置，其特征在于，通过调整所述二维线性电动平台的位置，使得所述光源发射器的发出的照明光从两个或多个不同的方向入射并激发表面等离激元至所述微纳结构样品。

8.根据权利要求5所述的微纳结构成像装置，其特征在于，所述调控激发单元包括棱镜、偏振片、光源发射器、第三透镜、第四透镜、第五透镜；

所述表面等离激元激发平面与所述棱镜的底面平行设置，所述表面等离激元激发平面基底与所述棱镜具有相同折射率，并在二者间设置折射率匹配液体；

所述光源发射器发射的光依次经过所述第三透镜、偏振片垂直入射至所述棱镜的一个界面，从所述表面等离激元激发平面反射的光依次经由所述棱镜的另一个界面、第四透镜、第五透镜，入射至所述图像传感器；

调整所述表面等离激元激发平面与所述棱镜的底面的相对位置，使得所述光源发射器的发出的光从两个或多个不同的方向入射并激发表面等离激元至所述微纳结构样品。

9.根据权利要求5所述的微纳结构成像装置，其特征在于，所述图像处理单元执行下述流程得到微纳结构样品的成像结果：

获取重建图像：分别比较所述两个或多个微纳结构样品的成像图像中相应位置像素点的像素值大小，将最大的像素值作为所述微纳结构重建结果中对应像素点的像素值；

对重建得到的图像进行消噪声处理，得到微纳结构样品的成像结果：

根据重建得到的图像，确定像素分割阈值；

依次判断所述微纳结构重建结果中每一像素点的像素值，若大于所述像素分割阈值，则保留；否则，将该像素点的像素值置为0。

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