CN113295689B - 一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片 - Google Patents

一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种解决成像过程照明光色散问题的移频超分辨光学芯片，光学芯片由两块相同材料的衬底组成，其中一块衬底是功能层，另一块衬底为成像层，两块衬底平行，功能层上下表面分别刻有m圈成对光栅。对于不同波长的光，以相同的角度入射，经过双光栅结构之后最终会汇聚为一束复合光，实现光栅对光的汇聚作用，从而达到消除前一个光栅色散的作用。本发明利用双光栅的消色散特性解决移频光学超分辨显微芯片的照明光色散问题，减小了复色照明光具有较宽的光谱而导致的照明色散，有效提高了成像系统的分辨率，解决了芯片使用复色光源的障碍，对移频超分辨显微芯片照明光多样化、成本降低有着极为重要的意义。

Description

一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片
技术领域
本发明涉及移频超分辨光学芯片领域，尤其涉及一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片。
背景技术
生物体的生命活动都由细胞完成，通过对细胞的研究就可以了解到生命体生命活动的具体情况。而生物显微镜受到了阿贝衍射极限的限制，其分辨率往往达不到能够清楚得看到细胞活动的要求。为了研究细胞的各项生命活动，就需要使用分辨率更高的显微镜，因此就需要用到超分辨技术。经典的超分辨显微方法如SIM、PSIM等都需要复杂的光路以及笨重的设备来实现，光学超分辨显微芯片可以通过精密加工将复杂的结构简化集成到光学波导芯片上，光学超分辨显微芯片可以大大提高光学超分辨系统的轻便性，并且更加方便量产。移频超分辨技术可以实现大视场与快速成像，因此将移频超分辨技术与光学芯片相结合可以更有效地实现光学超分辨显微成像。
现有的移频超分辨显微芯片通常在波导上刻上光栅，通过光栅衍射获得移频量，实现移频超分辨成像。现有的芯片在使用过程当中存在光源色散对成像质量影响较大的问题，现阶段尚未有一种方法能够很好地解决照明光色散对移频超分辨芯片成像质量影响的方法。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于双光栅的移频超分辨光学芯片，利用双光栅的消色散特性解决移频光学超分辨显微芯片的照明光色散问题，减小了复色照明光具有较宽的光谱而导致的照明色散，有效提高了成像系统的分辨率，解决了芯片使用复色光源的障碍，对移频超分辨显微芯片照明光多样化、成本降低有着极为重要的意义。本发明可以有效解决片上移频超分辨成像过程当中存在的照明光色散问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片，所述光学芯片由两块相同材料的衬底组成，衬底材料在所选照明光波段是透明的。其中一块衬底是功能层，另一块衬底为成像层，两块衬底平行，功能层上下表面分别刻有m圈光栅结构，每圈包含若干个关于中心对称的成对光栅，每圈光栅的个数一致，且不同圈的对应光栅分布角度相同。
光学芯片中功能层的上下表面光栅构成双光栅，双光栅的位置和周期满足以下关系：
Figure GDA0003739325880000021
其中，Pm、Pm’分别下表面和上表面光栅对的周期，T1是功能层衬底材料的厚度，L是照明光光源距功能层下表面光栅的垂直距离。
下表面同一圈内的同对光栅之间的间距满足：
Figure GDA0003739325880000022
其中λ是使用的照明光波长，n是衬底材料的折射率，T2是成像层衬底材料的厚度。
上表面同一圈内的同对光栅之间的间距满足：
Figure GDA0003739325880000023
其中Pm是该对光栅Pm’所对应的下表面的光栅对的周期。
对于不同波长的光，以相同的角度入射，经过双光栅结构之后最终会汇聚为一束复合光，实现光栅对光的汇聚作用，从而达到消除前一个光栅色散的作用。
进一步地，所述照明光光源为复色光源。
进一步地，所述衬底材料选择SiN、SiO2、Al2O3、TiO2或者Polymer。成像分辨率取决于材料折射率以及选用照明波长，衬底材料和照明波长具体根据成像分辨率需求、成本、加工条件选用。
进一步地，采用微纳加工方法制备光栅，包括EBL、FIB、光刻或纳米压印。
进一步地，选用与衬底折射率相同的光学胶水将功能层的上表面与成像层粘合起来，成像层上下表面事先进行抛光处理。成像层的成像区域位于非粘合表面的中心区域。
进一步地，消除光栅色散的具体原理如下：光路是可逆的，因此将经过光栅的一束复合光以合适的角度透过另一个光栅，就可以实现光栅对光的汇聚作用，从而达到消除前一个光栅色散的作用。
具体推导过程为：光栅的衍射方程如下：
d(sinθ+sinβ)＝kλ
其中，θ为入射角，β为衍射角，k为衍射级数。将第一个光栅的衍射角作为第二个光栅的入射角代入光栅衍射方程当中，有：
d(sinβ+sinγ)＝iλ其中γ为第二个光栅的衍射角，i为衍射级数，对比两个光栅衍射方程可知，存在k＝i的衍射级数相同的光，通过第二个光栅的衍射角γ与第一个光栅的入射角θ相同。对于不同波长的光，以相同的角度入射，经过双光栅结构之后最终会汇聚为一束复合光。
本发明还提供一种利用移频超分辨光学芯片成像的系统，其特征在于，该系统具体结构包括：复色光源、支撑芯片的样品台、收集样品散射光的显微物镜、透镜、彩色相机、镜架以及用于图像存储与重构计算的计算机。显微物镜位于芯片的成像层的外侧，所述物镜和透镜将样品的移频散射像共轭成像到彩色相机，图像存储和重构计算单元对彩色相机记录到的移频散射图进行重构，得到样品的超分辨显微图。
进一步地，光源后可以增加光束扫描装置，将光斑准确反射到功能层的光栅上，提高成像速度。光束扫描装置可以是振镜或者空间光调制器。
本发明还提供一种利用移频超分辨光学芯片成像的系统的成像方法，该方法包括：
步骤一：用彩色相机采集光学芯片上样品的低频空间信息；
步骤二：使用复色光源阵列照明光学芯片；光场经过功能层下表面光栅发生一级衍射，再经过功能层上表面光栅的汇合后，以一定的角度θm耦合到成像层光波导中；
Figure GDA0003739325880000031
其中
Figure GDA0003739325880000032
是入射光与波导法线的夹角。
光场在成像平面发生全反射，产生的倏逝场照明中心成像区域的样品并通过彩色相机采集样品的不同方向不同频率的高频空间信息；
步骤三：将步骤一和步骤二采集到的低频、高频空间信息进行频移，第m圈光栅产生的倏逝场频移量为：
Km＝K0*n*sinθm
其中
Figure GDA0003739325880000033
是入射光在真空中的波矢。然后在频域空间进行迭代拼接，得到扩大后的频谱，最后进行反傅里叶变换重构出超分辨的样品图像。
本发明的有益效果：本发明在牺牲一定的移频量的条件下，解决了具有一定光谱宽度的照明光源的照明光色散问题，扩大了移频超分辨显微成像芯片的光源范围，降低了生产和使用成本，有利于移频超分辨显微成像芯片的推广和大规模生产。
附图说明
图1是芯片的截面及激发光的示意图；其中101是功能层，102是成像层，103是复色光源；
图2是成像系统结构的示意图；其中201是复色光源阵列，202是样品台，203是芯片，204是显微物镜，205是透镜，206是光学相机，207是用于图像的存储、重构和显示的计算机系统；
图3是成像系统中201复色光源阵列的平面分布图；103是其中的一个复色光源，复色光源阵列按照芯片功能层的下表面光栅的排布位置排列；
图4是光栅的平面分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
如图1和图4所示，本发明提供的一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片，所述光学芯片由两块相同材料的衬底组成，衬底材料在所选照明光波段是透明的。其中一块衬底是功能层，另一块衬底为成像层，两块衬底平行，功能层上下表面分别刻有m圈光栅结构，每圈包含若干个关于中心对称的成对光栅，每圈光栅的个数一致，且不同圈的对应光栅分布角度相同。
双光栅的位置和周期需满足以下关系：
Figure GDA0003739325880000041
Z1、Z2分别表示第一片光栅、第二片光栅到光源的垂直距离，K1、K2分别表示第一片光栅和第二片光栅的衍射级数，1/d1和1/d2分别表示第一片光栅和第二片光栅的空间频率，负号表示光波被双平面光栅衍射时衍射化级数的符号相反；W是一个系数，当两片光栅平行放置时约等于1。
光学芯片中功能层的上下表面光栅构成双光栅，双光栅的位置和周期满足以下关系：
Figure GDA0003739325880000042
若取K1为1、K2为-1，则上下表面光栅周期与两层衬底厚度需满足关系
Figure GDA0003739325880000043
其中，Pm、Pm’分别下表面和上表面光栅对的周期，T1是功能层衬底材料的厚度，L是照明光光源距功能层下表面光栅的垂直距离。
下表面同一圈内的同对光栅之间的间距满足：
Figure GDA0003739325880000044
其中λ是使用的照明光波长，n是衬底材料的折射率，T2是成像层衬底材料的厚度。
上表面同一圈内的同对光栅之间的间距满足：
Figure GDA0003739325880000051
其中Pm是该对光栅Pm’所对应的下表面的光栅对的周期。
对于不同波长的光，以相同的角度入射，经过双光栅结构之后最终会汇聚为一束复合光，实现光栅对光的汇聚作用，从而达到消除前一个光栅色散的作用。所述照明光光源为复色光源。所述衬底材料选择SiN、SiO2、Al2O3、TiO2或者Polymer。成像分辨率取决于材料折射率以及选用照明波长，衬底材料和照明波长具体根据成像分辨率需求、成本、加工条件选用。采用微纳加工方法制备光栅，包括EBL、FIB、光刻或纳米压印。选用与衬底折射率相同的光学胶水将功能层的上表面与成像层粘合起来，成像层上下表面事先进行抛光处理。成像层的成像区域位于非粘合表面的中心区域。
本发明的原理为：光栅具有色散特性以及光路的可逆原理。当一束复合光通过光栅时，由于光栅的衍射作用会将不同波长的光分离出来；而光路是可逆的，因此如果将经过光栅的一束复合光以合适的角度透过另一个光栅，就可以实现光栅对光的汇聚作用，从而达到消除前一个光栅色散的作用。
本发明原理的具体推导过程如下：光栅的衍射方程如下：
d(sinθ+sinβ)＝kλ
其中，θ为入射角，β为衍射角，k为衍射级数。将第一个光栅的衍射角作为第二个光栅的入射角代入光栅衍射方程当中，有：
d(sinβ+sinγ)＝mλ
其中γ为第二个光栅的衍射角，m为衍射级数，对比两个光栅衍射方程可知，存在k＝m的衍射级数相同的光，通过第二个光栅的衍射角γ与第一个光栅的入射角θ相同。对于不同波长的光，以相同的角度入射，经过双光栅结构之后最终会汇聚为一束复合光。
如图2和图3所示，本发明还提供一种利用移频超分辨光学芯片成像的系统，该系统具体结构包括：复色光源、支撑芯片的样品台、收集样品散射光的显微物镜、透镜、彩色相机、镜架以及用于图像存储与重构计算的计算机。显微物镜位于芯片的成像层的外侧，所述物镜和透镜将样品的移频散射像共轭成像到彩色相机，图像存储和重构计算单元对彩色相机记录到的移频散射图进行重构，得到样品的超分辨显微图。光源后可以增加光束扫描装置，将光斑准确反射到功能层的光栅上，提高成像速度。光束扫描装置可以是振镜或者空间光调制器。
本发明还提供一种利用移频超分辨光学芯片成像的系统的成像方法，该方法包括：
步骤一：用彩色相机采集光学芯片上样品的低频空间信息；
步骤二：使用复色光源阵列照明光学芯片；光场经过功能层下表面光栅发生一级衍射，再经过功能层上表面光栅的汇合后，以一定的角度θm耦合到成像层光波导中；
Figure GDA0003739325880000061
其中
Figure GDA0003739325880000062
是入射光与波导法线的夹角。
光场在成像平面发生全反射，产生的倏逝场照明中心成像区域的样品并通过彩色相机采集样品的不同方向不同频率的高频空间信息；
步骤三：将步骤一和步骤二采集到的低频、高频空间信息进行频移，第m圈光栅产生的倏逝场频移量为：
Km＝K0*n*sinθm
其中
Figure GDA0003739325880000063
是入射光在真空中的波矢。然后在频域空间进行迭代拼接，得到扩大后的频谱，最后进行反傅里叶变换重构出超分辨的样品图像。
实施例
如图1所示的移频超分辨显微芯片，以矩形波导为例，包含以下部分：作为功能层的Al2O3衬底101、作为成像层的Al2O3衬底102、作用为消除色散的光栅Pm＇、提供移频量的衍射光栅Pm等。
如图2所示的成像系统结构，包含以下部分：作为照明光源的复色光源阵列201、样品台202、移频超分辨显微芯片203、显微物镜204、用于超分辨图像收集的透镜和彩色相机等、以及图像重构单元207。
样品台202可以通过微调旋钮微调透镜与移频超分辨显微芯片的距离以及透镜到彩色相机的距离。
用于消除色散的光栅Pm＇刻在功能层上表面，功能层为固定厚度的Al2O3波导，衍射光栅Pm刻在功能层的下表面，成像层衬底为与功能层相同的Al2O3波导，成像层的下表面与功能层的上表面粘合，待观察样品放置于成像层的另一面。
作为光源的复色光源阵列201放置于功能层刻有衍射光栅Pm之外，复色光源阵列发出的照明光通过衍射光栅之后进入功能层衬底，由于光栅的衍射作用以及功能层厚度的设定值，衍射的±1级正好位于消除色散的衍射光栅Pm＇之上，经过再次衍射之后进入到成像层，经过成像层之后照明光打在样品上。再经过透镜作用以及彩色相机的收集，重构之后就可以得到超分辨图像。由于双光栅的作用，单个光栅产生的色散问题可以得到很好的解决，使得成像质量得到了很大的提高，对于移频超分辨显微芯片的推广、光源多样化和成本的降低有着极为重要的意义。
假设复色光源发出的光的中心光束初值入射在功能层光栅上，并取复色光源距功能层下表面光栅的垂直距离L与功能层衬底材料的厚度T1相等，则耦合角度θm为：
Figure GDA0003739325880000071
λ为使用的光波长，n为衬底材料的折射率，Pm为功能层下表面光栅周期。
以Al2O3材料为例，在680nm的中心波长的复色光源复色光源照明下，其折射率为1.76。
功能层第一圈光栅的周期P1＝300nm,成像层第一圈光栅的周期P1’＝600nm,θ1＝40°，倏逝波的有效折射率为1.13；
功能层第二圈光栅的周期P2＝225nm，成像层第二圈光栅的周期P2’＝450nm，θ2＝59°，倏逝波的有效折射率为1.51；
功能层第三圈光栅的周期P3＝200nm，成像层第二圈光栅的周期P3’＝400nm，θ2＝75°，倏逝波的有效折射率为1.70。
复色光源放置在对应光栅的正下方，使各复色光源中心光束垂直入射各方向的光栅，经过功能层光栅的+1级衍射和成像层光栅的-1级衍射耦合到成像层上表面的成像区域；经过透镜作用以及彩色相机的收集，重构之后就可以得到超分辨图像。双光栅结构的采用使得系统在牺牲一定的移频量的条件下，补偿复色光源的色散，从而提高了成像质量，对于移频超分辨显微芯片的推广、光源多样化和成本的降低有着极为重要的意义。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片，其特征在于，所述光学芯片由两块相同材料的衬底组成，衬底材料在所选照明光波段是透明的；其中一块衬底是功能层，另一块衬底为成像层，两块衬底平行，功能层上下表面分别刻有m圈光栅结构，每圈包含若干个关于中心对称的成对光栅，每圈光栅的个数一致，且不同圈的对应光栅分布角度相同；选用与衬底折射率相同的光学胶水将功能层的上表面与成像层粘合起来，成像层上下表面事先进行抛光处理；成像层的成像区域位于非粘合表面的中心区域；样品放置于成像层的另一面；
使用复色光源阵列照明光学芯片；光学芯片中功能层的上下表面光栅构成双光栅，双光栅的位置和周期满足以下关系：
Figure FDA0004064459010000011
其中，Pm、Pm’分别下表面和上表面光栅对的周期，T1是功能层衬底材料的厚度，L是照明光光源距功能层下表面光栅的垂直距离；所述照明光光源为宽光谱的复色光源；
下表面同一圈内的同对光栅之间的间距满足：
Figure FDA0004064459010000012
其中λ是使用的照明光波长，n是衬底材料的折射率，T2是成像层衬底材料的厚度；
上表面同一圈内的同对光栅之间的间距满足：
Figure FDA0004064459010000013
其中Pm是该对光栅Pm’所对应的下表面的光栅对的周期；
对于不同波长的光，以相同的角度入射，光路是可逆的，因此将经过光栅的一束复合光以合适的角度透过另一个光栅，经过双光栅结构之后最终会汇聚为一束复合光，实现光栅对光的汇聚作用，从而达到消除前一个光栅色散的作用；消除光栅色散的原理具体推导过程为：光栅的衍射方程如下：
d(sinθ+sinβ)＝kλ
其中，θ为入射角，β为衍射角，k为衍射级数；将第一个光栅的衍射角作为第二个光栅的入射角代入光栅衍射方程当中，有：
d(sinβ+sinγ)＝iλ
其中γ为第二个光栅的衍射角，i为衍射级数，对比两个光栅衍射方程可知，存在k＝i的衍射级数相同的光，通过第二个光栅的衍射角γ与第一个光栅的入射角θ相同；对于不同波长的光，以相同的角度入射，经过双光栅结构之后最终会汇聚为一束复合光。
2.根据权利要求1所述的一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片，其特征在于，所述衬底材料选择SiN、SiO2、Al2O3、TiO2或者Polymer；成像分辨率取决于材料折射率以及选用照明波长，衬底材料和照明波长具体根据成像分辨率需求、成本、加工条件选用。
3.根据权利要求1所述的一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片，其特征在于，采用微纳加工方法制备光栅，包括EBL、FIB、光刻或纳米压印。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述的移频超分辨光学芯片成像的系统，其特征在于，该系统具体结构包括：复色光源、支撑芯片的样品台、收集样品散射光的显微物镜、透镜、彩色相机、镜架以及用于图像存储与重构计算的计算机；显微物镜位于芯片的成像层的外侧，所述物镜和透镜将样品的移频散射像共轭成像到彩色相机，图像存储和重构计算单元对彩色相机记录到的移频散射图进行重构，得到样品的超分辨显微图。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，光源后增加光束扫描装置，将光斑准确反射到功能层的光栅上，提高成像速度；光束扫描装置是振镜或者空间光调制器。
6.一种利用权利要求4所述的移频超分辨光学芯片成像的系统的成像方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一：用彩色相机采集光学芯片上样品的低频空间信息；
步骤二：使用复色光源阵列照明光学芯片；光场经过功能层下表面光栅发生一级衍射，再经过功能层上表面光栅的汇合后，以一定的角度θm耦合到成像层光波导中；
Figure FDA0004064459010000021
其中
Figure FDA0004064459010000023
是入射光与波导法线的夹角；
光场在成像平面发生全反射，产生的倏逝场照明中心成像区域的样品并通过彩色相机采集样品的不同方向不同频率的高频空间信息；
步骤三：将步骤一和步骤二采集到的低频、高频空间信息进行频移，第m圈光栅产生的倏逝场频移量为：
Km＝K0*n*sinθm
其中
Figure FDA0004064459010000022
是入射光在真空中的波矢；然后在频域空间进行迭代拼接，得到扩大后的频谱，最后进行反傅里叶变换重构出超分辨的样品图像。
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