CN112903682B - 原位可控移频照明的显微芯片及快速高分辨成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位可控移频照明的显微芯片及快速高分辨成像系统。其中，显微芯片包括波导和光源阵列，光源阵列中的垂直照明光源和倾斜照明光源为电致激发光源且固定于波导的一表面上，倾斜照明光源位于垂直照明光源的四周，各倾斜照明光源的出射光经由波导出射以全反射角照明被观测样品。移频成像系统包含显微芯片、显微物镜、管镜、图像探测器、控制器和数据处理器，通过控制器可准确地控制光源阵列中各光源的点亮位置和点亮时序以及图像探测器的积分时间，实现自动化的快速照明、采集以及图像处理；同时，通过将显微芯片的光源阵列深度集成到波导的表面，降低了片上显微成像系统的成本和复杂度，提升了成像系统的稳定性。

Description

原位可控移频照明的显微芯片及快速高分辨成像系统
技术领域
本发明涉及一种光电集成显微芯片和成像系统，属于显微成像领域。
背景技术
超分辨显微成像技术对于人类社会的探索发现、社会进步有着重要意义，但是传统光学显微镜的成像系统分辨率受限，极大地阻碍了生物学、医学、材料学等领域的发展。为打破衍射极限，实现对微纳样品及结构的超分辨成像，过去几十年，科研工作者们提出了多种超分辨显微成像技术，如受激发射光淬灭技术、光活化定位显微术、随机光学重构显微术和非线性结构光照明技术等，这些技术为推动科学研究和生产发展起到了重要的推动作用。但以上技术均需对被观测样品进行荧光标记，且成像系统均较为复杂，尺寸较大。
片上无标记超分辨成像技术因具有集成度高、易于大规模制备、实验操作简单、成像视场范围大、速度快、信噪比高等潜在优势，近些年也得到了快速发展。如公开号为CN105301753A的专利文献提出一种基于波导表面微纳光源照明的多重散射高分辨显微成像方法；专利文献CN106019423B提出优化薄膜波导结构，利用波导表面倏逝场照明，实现大视场高分辨率的显微成像；专利文献CN107942530B和CN107907511B分别提出了两种不同的多角度倏逝场照明移频重构显微成像方案；专利文献CN110658195B通过波导表面耦合光栅设计，利用空间光的衍射级次进行移频照明高分辨成像；公开号为CN104459971A的专利文献则提出了一种波导芯片与SIM成像技术结合的高分辨显微成像方法。但是，以上所有的片上超分辨显微成像方案均需外接复杂的光学耦合或者激发系统，成像速度也相对较慢，基于片上可控光源照明的移频高分辨显微芯片及其快速成像系统目前未见报道。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种显微芯片，从而成像系统无需外接耦合或者激发光路即可实现对被观测样品的原位照明与成像。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：本发明显微芯片包括波导和光源阵列，光源阵列与被观测样品分别位于波导的两侧；所述光源阵列中的光源包括垂直照明光源和倾斜照明光源，所述垂直照明光源和倾斜照明光源为电致激发光源且固定于波导的表面上，其中，倾斜照明光源位于垂直照明光源的四周，倾斜照明光源的出射光经由波导出射以全反射角照明被观测样品。
进一步地，本发明在所述光源阵列的倾斜照明光源与波导之间固定有耦合模块，所述耦合模块用于将光源阵列的倾斜照明光源的出射光耦合至波导内并使耦合光经波导出射后以全反射角照明被观测样品。
进一步地，本发明所述耦合模块为周期性阵列光栅，光源阵列的各倾斜照明光源的出射光分别通过对应的光栅耦合至波导内。
进一步地，本发明所述光源阵列中的垂直照明光源和倾斜照明光源按时序被依次点亮。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种移频成像系统，无需外接耦合或者激发光路即可实现对被观测样品的原位可控照明与快速成像。
为解决该技术问题，本发明所采取的技术方案是：本发明移频成像系统包含本发明所述的显微芯片，还包含显微物镜、管镜、图像探测器、控制器和数据处理器，图像探测器分别与数据处理器、控制器连接，各所述垂直照明光源和倾斜照明光源的触发电路与控制器相连以使所述垂直照明光源和倾斜照明光源由控制器调控而按时序依次被点亮；倾斜照明光源的出射光经由波导出射后以全反射角照明被观测样品，以使波导表面激发形成的倏逝场与被观测样品发生相互作用后被散射至远场；散射至远场的信号被显微物镜收集并经管镜整形后被图像探测器接收而生成远场强度图；所述数据处理器对来自图像探测器的各个远场强度图施加傅里叶变换，获取被观测样品的各子孔径频谱信息，并按照频谱拼接重构算法求解被观测样品空间频谱收敛解，恢复被观测样品的强度图和相位图。
进一步地，本发明移频成像系统还包括显示器，所述显示器分别与控制器、数据处理器连接。
进一步地，本发明所述控制器通过所述显示器的交互界面控制光源阵列中的垂直照明光源和倾斜照明光源的点亮时序和路径，和/或调整图像探测器的参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)现有技术中所有的片上超分辨显微成像方案均需外接复杂的光学耦合或者激发系统，成像速度也相对较慢；而本发明显微芯片将光源阵列与波导高度集成，可不使用耦合模块，也可在光源阵列的倾斜照明光源与波导之间固定有耦合模块，但上述两种方案中无论哪一种均无需外接耦合或者激发光路，通过光源阵列中的倾斜照明光源的出射光经由波导出射以全反射角照明被观测样品，可实现对被观测样品的原位照明与成像，并极大地提升系统的成像稳定性。(2)本发明移频成像系统通过照明光源的可控时序激发以及图像探测器的可控时序采集，能够实现对被观测样品的原位可控照明和快速成像；通过移频照明成像方式的引入，可以实现对被观测样品的高分辨成像。(3)本发明的光源阵列与被观测样品分别位于波导的两侧，不会造成彼此间的干扰。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式的成像系统示意图；
图2是本发明基于OLED光源阵列照明的显微芯片的一种实施方式的结构示意图；
图3是本发明的显微芯片中光源阵列的一种排布方式；
图中，101.波导，102.光源阵列，103.显微物镜，104.滤光片，105.管镜，106.图像探测器，107.控制器，108.数据处理器，109.显示器，201.OLED光源阵列的下电极，202.OLED光源阵列的光栅耦合模块，203.OLED光源阵列的发光层，204.OLED光源阵列的上电极，205.垂直照明光源，206.倾斜照明光源，207.被观测样品。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细的描述。
如图1至图3所示，本发明的显微芯片主要包括波导101和光源阵列102，光源阵列102中的光源包括垂直照明光源205和倾斜照明光源206。垂直照明光源205和倾斜照明光源206为电致激发光源，例如，可用常见的OLED光源、LED光源等。垂直照明光源205和倾斜照明光源206均固定于波导101的表面上。例如，将OLED光源蒸镀于波导101的表面，或者将LED贴片于波导101的表面。作为本发明的一种实施方式，在图1中，垂直照明光源205和倾斜照明光源206固定于波导101的下表面，被观测样品207则置于波导101的上表面，由于光源阵列102与被观测样品207分别位于波导101的上、下两侧，不会造成彼此间的干扰。如图1和图3所示，倾斜照明光源206位于垂直照明光源205的四周，各倾斜照明光源206的出射光经由波导101以全反射角照明被观测样品。作为本发明的优选实施方式，可在波导101的下表面制备一层滤光薄膜，保证照明光源的出射光的单色性。
作为本发明显微芯片的优选实施方式，光源阵列102中的垂直照明光源205和倾斜照明光源206按时序被依次点亮。光源阵列102中的光源可为单色光源或为多色光源。当采用多色光源时，图像探测器相应地为多色图像探测器，以进一步提升系统的成像速度。
波导101优选使用高折射率波导(例如折射率大于1.3)，可提高显微芯片的分辨率。高折射率波导可以选用氮化镓(GaN)、氧化铝(Al2O3)、磷化镓(GaP)等，也可选用常用的玻璃衬底(SiO2)。
作为本发明的一种实施方式，显微芯片可不使用耦合模块，直接利用照明光源耦合进波导101内的发散光进行照明成像。当然，作为本发明显微芯片的另一种实施方式，参见图2，也可在光源阵列的各倾斜照明光源与波导之间固定有耦合模块，利用耦合模块对照明光进行调制，耦合模块可将光源阵列的各倾斜照明光源的出射光耦合至波导内并使耦合光经波导出射后以全反射角照明被观测样品。作为本发明的优选实施方式，耦合模块为周期性阵列光栅，例如可以选用金属光栅或介质光栅。进一步地，可在耦合模块的各光栅的侧面固定一层金属薄膜层，用于阻挡光栅周围非必要耦合光对被观测样品的成像结果的影响，提升成像系统的成像信噪比。需要说明的是，本发明在光源阵列的各倾斜照明光源与波导之间固定有耦合模块，由此将耦合模块高度集成于显微芯片上，实现被观测样品的原位照明，与现有技术外接光学耦合系统具有本质的区别。相对于现有技术中所有的片上超分辨显微成像方案均需外接复杂的光学耦合或者激发系统，上述两种实施方式均无需外接耦合或者激发光路，通过光源阵列中的倾斜照明光源的出射光经由波导出射以全反射角照明被观测样品，即可实现对被观测样品的原位照明与成像，并极大地提升成像系统的成像稳定性。
图2示出了本发明基于OLED光源阵列照明的显微芯片的一种结构的示意图，光源阵列中的垂直照明光源205和倾斜照明光源206均为电致OLED光源，其中，OLED光源阵列的发光层203位于OLED光源阵列的上电极204与下电极201之间，OLED光源阵列的光栅耦合模块202则固定于OLED光源阵列的下电极201与波导101之间。OLED阵列光源的下电极可选择氧化铟锡(ITO)薄膜，上电极可选用金电极。为实现对各个照明光源的保护，可对OLED光源阵列进行封装保护。
本发明的显微芯片与显微物镜103、管镜105、图像探测器106、控制器107和数据处理器108可共同构成移频显微成像系统。图1示出了使用本发明显微芯片的一种移频显微成像系统的结构。如图1所示，图像探测器106分别与数据处理器108、控制器107连接，各垂直照明光源205和倾斜照明光源206的触发电路与控制器107相连以使各垂直照明光源205和倾斜照明光源206由控制器107调控而按时序依次被点亮，其中，各倾斜照明光源206和垂直照明光源205的触发电路中的上电极204和下电极201分别与控制器107相连，控制器107可以通过寻址的方式依次点亮光源阵列中的各光源。各倾斜照明光源206的出射光经由波导101出射后以全反射角照明被观测样品207，以使波导101表面激发形成的倏逝场与被观测样品207发生相互作用后被散射至远场；散射至远场的信号被显微物镜103收集并经管镜105整形后被图像探测器106接收而生成远场强度图；数据处理器108对来自图像探测器106的各个远场强度图施加傅里叶变换，获取被观测样品207的各子孔径频谱信息，并按照频谱拼接重构算法求解被观测样品空间频谱收敛解，恢复被观测样品的强度图和相位图。
各倾斜照明光源206的出射光经由波导101出射后以全反射角照明被观测样品207，以使波导101的表面激发形成的倏逝场与被观测样品发生相互作用后被散射至远场；散射至远场的信号被显微物镜103收集并经管镜105整形后被图像探测器106接收而生成远场强度图；数据处理器108对来自图像探测器106的各个远场强度图施加傅里叶变换，获取被观测样品207的各子孔径频谱信息，并按照频谱拼接重构算法求解被观测样品空间频谱收敛解，恢复被观测样品207的强度图和相位图。
作为本发明的优选实施方式，如图1所示，移频显微成像系统还包括有显示器109，显示器109分别与控制器107、数据处理器108连接。数据处理器108在完成被观测样品207的强度图和相位图的恢复后，将恢复后的被观测样品207的强度图和相位图投屏到显示器109上。作为本发明的另一种优选实施方式，控制器107可通过显示器109的交互界面控制光源阵列102中的垂直照明光源205和倾斜照明光源206的点亮时序和路径，以及调整图像探测器106的增益、曝光时间等参数。
移频显微成像系统工作时，可将被观测样品207放置在显微芯片的波导101的上表面，控制器107通过控制垂直照明光源205和倾斜照明光源206的触发电路，使被观测样品207的正下方的垂直照明光源205和倾斜照明光源206按照设定的路径而依次被点亮，同时在控制器107的控制下，图像探测器106按时序完成对各倾斜照明光源206和垂直照明光源205下被观测样品207的远场像的采集和存储。作为本发明的一种实施方式，在图像探测器106按时序对光源阵列中的倾斜光源照明206或垂直照明光源205照明下被观测样品207的远场强度图进行采集的同时，数据处理器108即可按照频谱重构算法按时序一一重构被观测样品207在各倾斜光源照明206照明下的宽频段频谱，待完成光源阵列中所有倾斜光源照明206和垂直照明光源205照明下被观测样品的远场强度图的采集后，即可恢复被观测样品207的强度图和相位图。作为本发明的另一种实施方式，也可在图像探测器106完成对光源阵列中所有倾斜光源照明206和垂直照明光源205照明下被观测样品的远场强度图的采集和存储后，再开始按照频谱重构算法重构获取被观测样品207在各倾斜照明光源206照明下的宽频段频谱收敛解，恢复被观测样品207的强度图和相位图。
为使光源阵列中的各倾斜照明光源和垂直照明光源照射下被观测样品207的远场强度图具有良好的强度均匀性，可从以下几个方面进行调节：(1)对光源阵列中各倾斜光源照明206和垂直照明光源205的出射光强进行单独调制，如可调整OLED或者LED光源的激发电信号；(2)在远场成像接收端，按照光源阵列中各倾斜光源照明206和垂直照明光源205的编号对图像探测器的参数(如曝光时间、增益等)进行分别调整；(3)在进行频谱拼接重构时，数据处理器108对各个远场强度图做归一化处理或者乘以相应的系数矩阵方式进行调整。
本发明中，光源阵列102的垂直照明光源205和倾斜照明光源206的分布方式不受限制，只要垂直照明光源205和倾斜照明光源206的出射光在成像系统的显微物镜的成像视场范围内，且倾斜照明光源206的出射光经由波导可以以全反射角照明被观测样品即可。通常，可结合光源阵列102中垂直照明光源205和倾斜照明光源206的波长、显微物镜103的数值孔径角等参数确定垂直照明光源205和倾斜照明光源206的位置、相邻间距、光栅耦合模块的周期等。作为本发明的一种实施方式，光源阵列中的倾斜照明光源206可采用规则的排布方式，例如，如图3所示的多环形式阵列分布。在图3所示的示例中，由内至外，倾斜照明光源206的分布方式为依次呈正四边形、正六边形、正八边形、正十边形的环状分布的阵列式面阵光源。
以上以非限定性的方式描述了本发明的优选实施例，但是，在不脱离本发明的权利要求限定范围内做出的各种修改也将落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种显微芯片，其特征是：包括波导和光源阵列，光源阵列与被观测样品分别位于波导的两侧；所述光源阵列中的光源包括垂直照明光源和倾斜照明光源，所述垂直照明光源和倾斜照明光源为电致激发光源且固定于波导的表面上，其中，倾斜照明光源位于垂直照明光源的四周；在倾斜照明光源与波导之间固定有耦合模块，所述耦合模块为周期性阵列光栅，用于将光源阵列的各倾斜照明光源的出射光分别通过对应的光栅耦合至波导内并使耦合光经波导出射后以全反射角照明被观测样品。
2.根据权利要求1所述的显微芯片，其特征是：所述光源阵列中的垂直照明光源和倾斜照明光源按时序被依次点亮。
3.一种包含权利要求1或2所述的显微芯片的移频成像系统，其特征是：还包含显微物镜、管镜、图像探测器、控制器和数据处理器，图像探测器分别与数据处理器、控制器连接，各所述垂直照明光源和倾斜照明光源的触发电路与控制器相连以使所述垂直照明光源和倾斜照明光源由控制器调控而按时序依次被点亮；倾斜照明光源的出射光经由波导出射后以全反射角照明被观测样品，以使波导表面激发形成的倏逝场与被观测样品发生相互作用后被散射至远场；散射至远场的信号被显微物镜收集并经管镜整形后被图像探测器接收而生成远场强度图；所述数据处理器对来自图像探测器的各个远场强度图施加傅里叶变换，获取被观测样品的各子孔径频谱信息，并按照频谱拼接重构算法求解被观测样品空间频谱收敛解，恢复被观测样品的强度图和相位图。
4.根据权利要求3所述的移频成像系统，其特征是：还包括显示器，所述显示器分别与控制器、数据处理器连接。
5.根据权利要求4所述的移频成像系统，其特征是：所述控制器通过所述显示器的交互界面控制光源阵列中的垂直照明光源和倾斜照明光源的点亮时序和路径，和/或调整图像探测器的参数。
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