CN115128789B - 基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统及方法，该方法包括：确定照明模块中双曲超材料结构的参数，以调控双曲超材料结构支持高频波的传播；双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层；根据双曲超材料结构确定照明模块中周期性光栅结构，以使周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发双曲超材料结构的体等离激元；使用单波长平面波激发照明模块，以产生周期性的结构照明图案照明待成像样品；在单波长平面波不同入射角下采集待成像样品产生荧光信息，得到多幅衍射受限子图；根据多幅衍射受限子图使用盲算法重构出超分辨成像图案。本公开的方法不需要采集大量子图进行超分辨图像恢复，能快速重构出高质量的超分辨图像。

Description

基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统及方法
技术领域
本公开涉及超分辨成像技术领域，具体涉及一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统及方法。
背景技术
光学显微镜的使用对人类产生了巨大的影响，尤其是在生物领域，它对解开生物医学研究领域复杂的谜团起着重要的作用。当研究对象的特征尺寸为光波长量级时，光的波动性就变得尤为重要。由于衍射效应的存在，成像模块只采集一定频带的频率。光学显微镜的空间分辨力被限制在衍射极限λ/2NA以内，其中NA为物镜的数值孔径，这说明可见光的最大成像分辨率约为200nm。
然而，大多数生物过程都发生在这个极限以下。这一关键问题被许多超分辨率成像方法所解决，比如受激发射损耗法(Stimulated Emission Depletion Microscopy，STED)、光激活定位法(Photo Activated Localization Microscopy，PALM)、随机光学重构法(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy，STORM)等，这些方法虽然可以达到30nm的分辨力，但STED和PALM需要大功率密度的光对样品进行照射，因此对活细胞的光毒性和光损伤不可忽略。而STORM则需要数千张子图像来恢复超分辨图像，导致该方法成像速度慢。与这些方法相比，结构光照明荧光显微技术(Structure Illumination Microscopy，SIM)由于具有高的时空分辨率、低的光毒性和宽场成像使其受到人们越来越多的关注。
SIM的分辨力主要由可探测到的截止频率和照明图案的空间频率决定。然而传统SIM的照明图案也受到衍射极限的限制，空间分辨力提升的最大可能只能是原来的两倍。为了进一步提升分辨力，研究人员探索了多种方法来扩展照明图案的空间频率，比如，通过荧光的饱和激发来获得高阶空间照明频率的饱和SIM，这同样需要大功率密度的激发光，并且照明图案需要两束对称的光进行干涉来完成，对搭建实验平台是个较大的挑战；还可以利用等离激元来激发更大空间照明图案的频率而不伤害细胞，比如，等离激元结构照明显微镜(Plasmonic Structure Illumination Microscopy，PSIM)使用金属-介质界面的表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)干涉图案替代传统的照明图案，使分辨力从214nm下降到74nm。
然而，有限的金属材料限制了空间照明图案的频率。为了进一步提高空间照明图案的频率，现有技术中已公开利用精细周期结构近场激发局域表面等离激元的局域表面等离激元结构照明显微镜(Localized Plasmonic Structure Illumination Microscopy，LPSIM)，LPSIM在实验上将分辨力从240nm压缩到80nm。虽然，LPSIM可以获得更高空间频率照明模式，但是结构照明模式的频率不单一，需要几十或者上百张子图才能恢复出一张超分辨图像，使恢复时间增加。
综上所述，传统的结构照明显微技术分辨力较低，而等离激元结构照明显微分辨力虽有一定提升，但是结构照明频率不单一，需要采集大量子图进行超分辨图像恢复，导致成像速度太慢。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本公开提供了一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统及方法，用于解决传统的结构照明显微成像方法需要采集大量子图进行超分辨图像恢复，导致成像速度慢等技术问题。
(二)技术方案
本公开一方面提供了一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，包括：S1，确定照明模块中双曲超材料结构的参数，以调控双曲超材料结构支持高频波的传播；其中，双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层；S2，根据双曲超材料结构确定照明模块中周期性光栅结构，以使周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发双曲超材料结构的体等离激元；S3，使用单波长平面波激发照明模块，以产生周期性的结构照明图案照明待成像样品；S4，在单波长平面波不同入射角下采集待成像样品产生荧光信息，得到多幅衍射受限子图；S5，根据多幅衍射受限子图使用盲算法重构出超分辨成像图案。
进一步地，S1包括：S11，采用等效介质理论方法选取金属膜层、介质膜层的厚度；S12，根据金属膜层、介质膜层的厚度采用严格耦合波分析方法确定双曲超材料结构能够激发的体等离激元波矢范围；S13，根据体等离激元波矢范围采用优化算法和严格耦合波分析方法对金属膜层、介质膜层的厚度进行优化，以调控双曲超材料结构支持高频波的传播。
进一步地，S1中双曲超材料结构的金属膜层的材料包括金、银和铝中的一种；S1中双曲超材料结构的介质膜层的材料包括二氧化硅、二氧化钛和氟化镁中的一种。
进一步地，S2包括：S21，根据双曲超材料结构选取周期性光栅结构的形状、材料；S22，使用严格耦合波分析、有限元法或时域有限差分法的方法确定周期性光栅结构的周期、高度和占空比，以使周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发双曲超材料结构的体等离激元。
进一步地，S2中周期性光栅结构的形状包括具有一倍旋转对称的条纹光栅、二倍旋转对称的网格光栅和三倍旋转对称的六边形位置排列光栅中的一种。
进一步地，S2中周期性光栅结构的材料包括二氧化钛、氧化铝、金、银、铬、铝中的一种。
进一步地，S3包括：使用单波长平面波以一定入射角向照明模块照明，通过周期性光栅结构的衍射波耦合激发双曲超材料结构的体等离激元，干涉后得到周期性的结构照明图案以照明待成像样品。
进一步地，S4包括：S41，在周期性光栅结构的不同方位角下，改变单波长平面波的入射角，得到不同相位下的结构照明图案；S42，在不同相位下的结构照明图案下，分别采集待成像样品产生的荧光信息，得到多幅衍射受限子图。
进一步地，S5包括：S51，使用维纳滤波方法滤除噪声；S52，根据多幅衍射受限子图使用共轭梯度算法在频域反复迭代使目标函数最小化，重构出超分辨成像图案。
本公开另一方面提供了一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统，包括：第一确定模块，用于确定照明模块中双曲超材料结构的参数，以调控双曲超材料结构支持高频波的传播；其中，双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层；第二确定模块，用于根据双曲超材料结构确定照明模块中周期性光栅结构，以使周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发双曲超材料结构的体等离激元；照明模块，包括基底、双曲超材料结构和周期性光栅结构；光源模块，用于使用单波长平面波激发照明模块，以产生周期性的结构照明图案照明待成像样品；成像模块，用于在单波长平面波不同入射角下采集待成像样品产生荧光信息，得到多幅衍射受限子图；超分辨重构模块，用于根据多幅衍射受限子图使用盲算法重构出超分辨成像图案。
(三)有益效果
本公开的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统及方法，通过确定照明模块中双曲超材料结构的参数，利用双曲超材料结构的带通特性，在周期性光栅结构的耦合激发下得到特定的、较大的、单一波矢的体等离激元(Bulk Plasmon Polariton，BPP)，有利于大幅度提升分辨力；体等离激元激发产生具有周期性的结构照明图案，由此，在成像过程中只需采集较少数量的衍射受限子图就可以得到待成像样品较多的高频信息；进一步通过盲算法可以快速重建出高质量的超分辨成像图案。此外，对于已知或未知结构照明图案频率的衍射受限子图，盲算法能很好地重构出超分辨图像，扩大了本公开的普适性和鲁棒性。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例中基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法的流程图；
图2示意性示出了根据本公开实施例中基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统的结构示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例中照明模块的结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开实施例中利用RCWA计算周期双曲超材料结构的光学传递函数的结果示意图；
图5示意性示出了根据本公开实施例中周期性的双曲超材料结构的成像结果示意图；
图6示意性示出了根据本公开实施例中非周期性的双曲超材料结构的多个小球成像结果示意图；
图7示意性示出了根据本公开实施例中非周期性的双曲超材料结构的两个小球成像结果示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
需要说明，若本公开实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本公开的实施例提供了一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，请参见图1，包括：S1，确定照明模块中双曲超材料结构的参数，以调控双曲超材料结构支持高频波的传播；其中，双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层；S2，根据双曲超材料结构确定照明模块中周期性光栅结构，以使周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发双曲超材料结构的体等离激元；S3，使用单波长平面波激发照明模块，以产生周期性的结构照明图案照明待成像样品；S4，在单波长平面波不同入射角下采集待成像样品产生荧光信息，得到多幅衍射受限子图；S5，根据多幅衍射受限子图使用盲算法重构出超分辨成像图案。
本公开的照明模块包括基底以及依次形成在基底上的周期性光栅结构、双曲超材料结构。当特定的两种材料按照一定方式组合后，即会在特定的波段出现双曲色散特性，该组合材料称之为双曲超材料(Hyperbolic Metamaterials，HMM)，而该特定的波段为双曲波段(双曲波段表现出双曲色散曲线)。在双曲波段中，双曲超材料介电常数或磁导率张量在某一方向为负值，而在其他两个方向为正值。双曲超材料是一种各向异性材料，这种各向异性结构的超材料具有独特的双曲色散特性。
本公开利用双曲超材料结构的带通特性，在周期性光栅结构的耦合激发下得到特定的、较大的、单一波矢的体等离激元，有利于大幅度提升分辨力；体等离激元激发产生具有周期性的结构照明图案，由此，在成像过程中只需采集较少数量的衍射受限子图就可以得到待成像样品较多的高频信息；进一步通过盲算法可以快速重建出高质量的超分辨成像图案，成像速度明显提升。此外，对于已知或未知结构照明图案频率的衍射受限子图，盲算法能很好地重构出超分辨图像，扩大了本公开的普适性和鲁棒性。
在上述实施例的基础上，S1包括：S11，采用等效介质理论方法选取金属膜层、介质膜层的厚度；S12，根据金属膜层、介质膜层的厚度采用严格耦合波分析方法确定双曲超材料结构能够激发的体等离激元波矢范围；S13，根据体等离激元波矢范围采用优化算法和严格耦合波分析方法对金属膜层、介质膜层的厚度进行优化，以调控双曲超材料结构支持高频波的传播。
由于HMM具有“阻低频通高频”的空间频率带通特性，可以获得纯净的高频体等离激元。本公开的双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层，组成金属-介质多层膜，该金属-介质多层膜可以是周期性的或非周期性的膜层结构。双曲超材料结构可以当作各向异性的介质来分析，采用等效介质理论(Effective Medium Theory，EMT)的方法选取金属膜层和介质膜层各膜层的厚度，采用严格耦合波分析(Rigorous Coupled WaveAnalysis，RCWA)来确定激发的体等离激元波矢范围。
HMM的有效介电常数张量可以表示为：
Figure BDA0003734962870000061
其中示出沿x，y，z方向的有效介电常数为εx＝εy＝fεm+(1-f)εd，εz＝εmεd/[(1-f)εm+fεd]，f为金属填充率，f＝tm/(tm+td)，εm、εd分别为金属和介质的介电常数，tm、td分别为金属膜层和介质膜层的厚度。
对于横磁(TM)偏振平面波，双曲超材料的色散关系就可以表示为：
Figure BDA0003734962870000062
kx，ky，kz分别为沿x，y，z方向的波矢分量，k0为真空中的波矢。通过调节金属膜层、介质膜层的厚度使εx＜0、εz＞0，双曲超材料结构就具有“阻低频通高频”的特性。
由于EMT计算的是理想情况下HMM的色散曲线，无限大的波矢可以通过双曲色散材料结构，然而，由于金属膜层和介质膜层始终存在损耗，所以RCWA计算时加上了金属膜层和介质膜层的虚部，这就体现了HMM的带通特性。
进一步，双曲超材料结构中各膜层的厚度可以结合优化算法(粒子群算法、遗传算法等)和RCWA进行优化，增加设计的灵活性。
在上述实施例的基础上，S1中双曲超材料结构的金属膜层的材料包括金、银和铝中的一种；S1中双曲超材料结构的介质膜层的材料包括二氧化硅、二氧化钛和氟化镁中的一种。
介质膜层的材料包括但不限于SiO2、TiO2、MgF2等材料，金属膜层的材料包括但不限于Au、Ag、Al等材料。
金属膜层和介质膜层材料的选择需要结合等效介质理论，使其符合εx＜0、εz＞0的条件，这样双曲超材料结构才具有“阻低频通高频”的特性。
在上述实施例的基础上，S2包括：S21，根据双曲超材料结构选取周期性光栅结构的形状、材料；S22，使用严格耦合波分析、有限元法或时域有限差分法的方法确定周期性光栅结构的周期、高度和占空比，以使周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发双曲超材料结构的体等离激元。
由于体等离激元的波矢大于真空中的波矢，平面波无法激发体等离激元，这就需要结合其特性采用特殊的方式进行激发。优选地，可以采用周期性的光栅结构进行耦合激发，通过设计平面波的入射角和周期性光栅的周期，使周期性光栅衍射的高阶级次波耦合进双曲超材料。当然，本公开也可以采用棱镜耦合激发、表面缺陷激发等激发方式，在此不作赘述。
周期性光栅结构的参数包括其形状、材料、周期、高度、占空比等。根据双曲超材料结构选取周期性光栅结构的形状、材料，光栅的形状与材料确定后，其周期、高度、占空比等结构参数可以使用RCWA、有限元法(Finite Element Method，FEM)、时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，FDTD)等方法来进行建模优化，优化的目标是使照明模块产生的结构照明图案具有周期性和高的空间频率。
在上述实施例的基础上，S2中周期性光栅结构的形状包括具有一倍旋转对称的条纹光栅、二倍旋转对称的网格光栅和三倍旋转对称的六边形位置排列光栅中的一种。
周期性光栅结构可以采用包括但不限于一倍旋转对称的条纹光栅、二倍旋转对称的网格光栅、三倍旋转对称的六边形位置排列光栅，该光栅理论上能够均匀铺满整个二维平面。
优选地，采用三倍旋转对称的六边形位置排列光栅的结构，如图3所示，该光栅为柱状光栅，柱状光栅分别位于六边形位置的顶点和中心。该光栅结构作为耦合激发单元获得周期性的结构照明图案，有利于减小频域间隙的影响。
在上述实施例的基础上，S2中周期性光栅结构的材料包括二氧化钛、氧化铝、金、银、铬、铝中的一种。
周期性光栅结构的材料包括但不限于二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)等高折射率介质材料，或者金(Au)、银(Ag)、铬(Cr)、铝(A1)等金属材料。
在上述实施例的基础上，S3包括：使用单波长平面波以一定入射角向照明模块照明，通过周期性光栅结构的衍射波耦合激发双曲超材料结构的体等离激元，干涉后得到周期性的结构照明图案以照明待成像样品。
使用单波长的平面波以一定入射角向照明模块的基底照明，通过周期性光栅结构衍射的衍射波耦合激发HMM的体等离激元，在出射界面获得高频的结构照明图案，可以通过光栅衍射公式计算衍射波的横向波矢，
kx＝nk0 sinθ+2mπ/p
其中n为基底的折射率，k0为真空的波矢，θ为入射角，m为衍射级次，p为光栅周期。体等离激元干涉的电场为，这里采用但不限于m＝±1，
Figure BDA0003734962870000081
其中E1，kx1为-1级次衍射波的电场振幅和横向波矢，E2，kx2为+1级次衍射波的电场振幅和横向波矢。结合光栅衍射公式可以进一步将干涉电场改写为，
Figure BDA0003734962870000091
当E1和E2相等时，就可以获得周期为p/2的结构照明图案，并且通过改变入射角使结构照明图案发生移动形成具有不同相位的结构照明图案。可以采用FDTD、RCWA、FEM等方法计算体等离激元形成的结构照明图案。
在上述实施例的基础上，S4包括：S41，在周期性光栅结构的不同方位角下，改变单波长平面波的入射角，得到不同相位下的结构照明图案；S42，在不同相位下的结构照明图案下，分别采集待成像样品产生的荧光信息，得到多幅衍射受限子图。
结构照明图案照射待成像样品后经过成像模块收集得到衍射受限子图，该衍射受限子图携带了待成像样品的高频信息。
由于改变入射光的入射角，可以获得不同相位的结构照明图案，因此在同一照明方位上可以获得多幅衍射受限子图。改变平面照明的方位角就可以改变结构照明图案的照明方向，根据周期性光栅结构的选择对称性，采用一倍旋转对称的条纹光栅结构，对应的方位角为0°，两倍旋转对称的网格光栅结构，对应的方位角为0°，90°，三倍旋转对称的六边形位置排列光栅，对应的方位角为0°，60°，120°。因此，所有照明方向收集到衍射受限子图的数量为方位角数与入射角个数的乘积。根据光栅衍射公式，入射光的入射角为，
Figure BDA0003734962870000092
由于HMM存在带通特性，那么光栅衍射波的横向波矢kx的范围应满足：kmin＜kx＜kmax，其中，kmin，kmax分别为HMM通带内最小的横向波矢和最大的横向波矢，那么对应的入射角为θmin和θmax，入射光调节的范围为-min(θmin，θmax)＜θ＜min(θmin，θmax)。
例如，采用三倍旋转对称的六边形位置排列光栅结构，可以在三个照明方向上获得15幅衍射受限子图(每个照明方位得到5幅衍射受限子图，对应于5个不同的入射角)。
在上述实施例的基础上，S5包括：S51，使用维纳滤波方法滤除噪声；S52，根据多幅衍射受限子图使用共轭梯度算法在频域反复迭代使目标函数最小化，重构出超分辨成像图案。
步骤S5的主要目的在于根据步骤S4获得的多幅衍射受限子图通过盲算法重构出超分辨成像图案。盲算法不需要任何关于结构照明图案的先验知识，因此对周期性和非周期的结构照明图案都有很好的适用性。利用收集到的多幅衍射受限子图的光强信息在频域反复迭代收敛来逼近超分辨图像光强信息的最优解，使以下目标函数最小化，
Figure BDA0003734962870000101
其中o为超分辨图像，i为结构照明图案，L为子图数量，M为子图，||·||为欧几里得范数，PSF为系统的点扩散函数，I0为所有照明图案的平均值，
Figure BDA0003734962870000102
表示卷积操作。
经过盲算法重构出超分辨图像扩展的频率为，
fexpand＝fcut+fillum
其中fcut(2NA/λ)为系统的截止频率，fillutm为照明图案的频率。对于经过三个照明方向的周期性结构照明图案收集到的15幅衍射受限子图(上述实施例)，基本覆盖了半径为fexpand的频域范围，能够减小频域间隙的影响；而非周期(随机)的结构照明图案则需要采集成百上千的子图来覆盖该频率范围，因此本公开通过采用周期性的结构照明图案，可以减少收集衍射受限子图的数量，从而在一定程度上提升了超分辨成像速度。
本公开的成像方法是在确定照明模块中双曲超材料结构、周期性光栅结构的基础上，通过依次进行的激发体等离激元、生成子图和重构超分辨图像实现成像。
本公开还提供一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统，请参见图2，包括：第一确定模块，用于确定照明模块中双曲超材料结构的参数，以调控双曲超材料结构支持高频波的传播；其中，双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层；第二确定模块，用于根据双曲超材料结构确定照明模块中周期性光栅结构，以使周期性光栅结构的衍射波耦合激发双曲超材料结构的体等离激元；照明模块，包括基底、双曲超材料结构和周期性光栅结构；光源模块，用于使用单波长平面波激发照明模块，以产生周期性的结构照明图案照明待成像样品；成像模块，用于在单波长平面波不同入射角下采集待成像样品产生荧光信息，得到多幅衍射受限子图；超分辨重构模块，用于根据多幅衍射受限子图使用盲算法重构出超分辨成像图案。
如图2所示，该基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统200包括：第一确定模块210、第二确定模块220、照明模块230、光源模块240、成像模块250、超分辨重构模块260。
第一确定模块210，用于确定照明模块中双曲超材料结构的参数，以调控双曲超材料结构支持高频波的传播；其中，双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层。根据本公开的实施例，该第一确定模块210例如可以用于执行上文参考图1所描述的S1步骤，在此不再赘述。
第二确定模块220，用于根据双曲超材料结构确定照明模块中周期性光栅结构，以使周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发双曲超材料结构的体等离激元。根据本公开的实施例，该第二确定模块220例如可以用于执行上文参考图1所描述的S2步骤，在此不再赘述。
光源模块240，用于使用单波长平面波激发照明模块，以产生周期性的结构照明图案照明待成像样品。根据本公开的实施例，该光源模块240例如可以用于执行上文参考图1所描述的S3步骤。具体地，光源模块240用以提供对照明模块的倏逝波激发。采用单波长激光器作为激发光源，使用准直、滤波、扩束光路来获得照明光束的波前近似平面波分布，光束通过偏振片，振镜和反射镜到达照明模块，其中，振镜可以调节光束入射角和方位角。
照明模块230，用于接收平面波，产生体等离激元并获得结构照明图案，使其激发待成像样品的荧光信息。照明模块包括基底以及形成在基底上的周期性光栅结构和双曲超材料结构。其中，周期性光栅结构可以为条纹光栅、网格光栅、六边形位置排列的光栅等，其分别具有一倍旋转对称性、二倍旋转对称性、三倍旋转对称性。双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层。
照明模块230的加工通过膜层沉积、光刻、刻蚀等微纳加工方法来实现。其中通过光刻、刻蚀等方法在石英基片上获得大面积的光栅结构，经过填平处理后，通过磁控溅射或者蒸镀等膜层沉积方法获得HMM结构。
成像模块250，用于在单波长平面波不同入射角下采集待成像样品产生荧光信息，得到多幅衍射受限子图。根据本公开的实施例，该成像模块260例如可以用于执行上文参考图1所描述的S4步骤。具体地，成像模块250用于收集待成像样品在结构照明图案下产生的荧光信息并得到衍射受限子图，其主要包括成像物镜、滤波片、套筒透镜、图像传感器等器件。成像物镜的选择决定了衍射受限子图的分辨力和视场，滤波片用于对荧光信号进行分离，荧光信号的收集主要通过电子增强的电荷耦合器件(制冷的EMCCD)。改变光源模块240中光束的入射角和方位角就可以将成像模块250收集到多幅衍射受限子图用于超分辨重构模块260进行超分辨重构。
超分辨重构模块260，用于根据多幅衍射受限子图使用盲算法重构出超分辨成像图案。根据本公开的实施例，该超分辨恢复模块260例如可以用于执行上文参考图1所描述的S5步骤。具体地，超分辨重构模块260，基于成像模块250收集到的多幅衍射受限子图，通过超分辨重构算法得到超分辨成像图案。由于超分辨成像图案的分辨力突破了衍射极限，因此可以获得更清晰的成像结果。
其中，超衍射结构照明显微成像系统200中的照明模块230是本公开的关键模块，光源模块240、成像模块250及超分辨恢复模块260等模块与该照明模块230配合实现相应的显微成像功能，本领域技术人员可以先根据需求进行照明模块230的设计，再通过对光源模块240、成像模块250和超分辨重构模块等模块260的选择、优化设计及调整，实现相应的成像需求。
本公开提供的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统及方法，利用双曲超材料设计的灵活性，可以获得大的、单一的BPP波矢，从而实现分辨力大幅度的提升；采用激发的BPP干涉后获得周期性的散斑照明，可以实现以较少的衍射受限子图获得待成像样品较多的高频信息；盲算法可以对已知或未知照明图案频率的衍射受限子图进行重构，从而增加了本公开的普适性和鲁棒性。
下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。在以下实施例中对上述基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统及方法进行具体说明。但是，下述实施例仅用于对本公开进行例示，本公开的范围不限于此。
以下实施例的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法包括下列步骤，如图1所示：
步骤S01：设计双曲超材料结构
选择波长为532nm TM偏振平面波入射，成像模块的数值孔径选择1.45，使用浸油物镜实现。双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层；本实施例中金属膜层选择Ag，介质膜层选择SiO2，在532nm波长下的Ag、SiO2介电常数分别为-11.7840+0.3722i、2.13，根据等效介质理论(EMT)，设计出了8层周期性的双曲超材料结构，Ag和SiO2的厚度都是20nm，εx和εz分别为-0.4827+0.1861i、5.1985+0.0362i。
进一步，结合粒子群算法和RCWA优化出了10层非周期性的双曲超材料结构，从入射面到出射面，SiO2和Ag交替排列，它们的厚度分别为34nm、13nm、20nm、17nm、28nm、18nm、24nm、12nm、37nm、9nm；相当于前述步骤S1。
步骤S02：设计周期性光栅结构
本实施例采用周期性光栅结构来耦合激发体等离激元，本实施例优先选择三倍旋转对称的六边形位置排列光栅来耦合激发体等离激元，以尽可能减小频率间隙的影响。周期性光栅周期采用200nm的周期来耦合激发周期性的双曲超材料结构，光栅周期采用190nm的周期来耦合激发非周期性的双曲超材料结构。使用FDTD进行电磁场仿真计算。为了加工的简便性，可使用光刻、刻蚀等方法将光栅直接加工在石英基底上，选择金属Ag作为光栅材料，光栅材料为SiO2，光栅的高度和占空比使用FDTD方法来进行建模优化，优化后光栅的高度为50nm，占空比为0.2；相当于前述步骤S2。
步骤S03：激发体等离激元
本实施中使用波长为532nm的TM平面波以一定入射角向照明模块的基底照明，通过周期性光栅结构衍射的衍射波耦合双曲超材料结构激发体等离激元，在出射界面获得高频的结构照明图案，本实施例中，干涉的两束光选择±1级光栅衍射波，入射角度分别为0°、±9°、±10°，采用FDTD方法计算体等离激元形成的周期性的结构照明图案；相当于前述步骤S3。
步骤S04：生成子图
本实施例中，选择5个入射角度(0°、±9°、±10°)，因此，在一个方位角上就可以获得5个不同相位的结构照明图案，本实施例选择的三倍旋转对称的六边形位置排列光栅作为耦合激发单元，就可以获得15个不同相位的结构照明图案，不同相位的结构照明图案照射样品后经过成像模块可以收集到15幅衍射受限子图，这些子图携带了待成像样品的高频信息；相当于前述步骤S4。
步骤S05：重构超分辨图像
根据步骤S04获得的15幅衍射受限子图通过盲算法重构出超分辨图像。由于梯度算法更新方向往往是低效的，通过使用共轭梯度算法可以更快地达到收敛，因此，本实施例中盲算法结合了维纳滤波方法和共轭梯度算法，用维纳滤波方法滤除成像过程中的噪声，用共轭梯度算法在频域反复迭代使目标函数快速最小化，从而重构出超分辨成像图案；相当于前述步骤S5。
如图3所示，本实施例中照明模块的结构示意图，包括顶层的生物溶液层、双曲超材料结构、周期性光栅结构和基底。本实施例中，生物溶液层的折射率为1.33。采用三倍旋转对称的六边形位置排列光栅结构进行耦合激发。
通过RCWA计算了周期结构HM的OTF，如图4所示，可以得到HM的带通范围为1.3k0～4.2k0。根据光栅公式，可以调节入射光的角度，使所需要的±1级光栅衍射级次处于HMM通带的范围内，入射角调节的范围为-50°到50°。经过±1级干涉后形成结构照明图案，不同的入射角可以获得具有不同相位的结构照明图案。
通常采用单个小球的半高全宽(FWHM)或分辨两个小球之间的距离作为成像的分辨力，为了评估本公开的分辨力，分别对衍射受限的图像和基于本公开重构出的超分辨成像图案进行了对比。本公开的超分辨成像图案是采用盲算法从15幅衍射受限子图中重构出来的。
图5为本公开对周期性的双曲超材料结构的成像结果，501和502分别为单个小球的衍射受限图像和采用本实施例方法得到的超分辨成像图案。为了更准确地说明本公开对分辨力的提升，503为单个小球成像结果的强度分布截线，衍射受限图像的FWHM为198nm，而采用本实施例的方法后，超分辨成像图案的FWHM下降到了65nm。进一步，对中心间距为65nm的两个小球进行成像，504和505分别为两个小球的衍射受限图像和采用本实施例方法得到的超分辨成像图案。506为两个小球成像结果的强度分布截线，衍射受限图像完全不能区分，而采用本实施例的方法后，超分辨成像图案能将两个小球区分开来，并且，峰值之间的凹陷为最大值的30％，满足瑞利判据。
图6为本公开对非周期性的双曲超材料结构的成像结果，在2.5×2.5μm2区域随机分布多个小球，601和602分别为衍射受限图像和采用本实施例方法得到的超分辨成像图案。根据602中白色虚线框所示，展现了本公开对密集分布样品的分辨能力。603为602中箭头所指小球的强度分布截线，FWHM达到了63nm。604～606为重构出602中白色虚线框位置的超分辨成像图案所需要的部分衍射受限子图，衍射受限子图强度的变化说明了结构照明图案的相位变化，十字代表了四个小球的位置。进一步，将中心间距为60nm的两个小球进行成像，图7中701和702分别为衍射受限图像和采用本实施例方法得到的超分辨成像图案。703为702的强度分布截线，可以看到，相比衍射受限图像，本公开的方法可以将分辨力压缩到60nm，实现了3.3倍分辨力的提升。值得注意的是，只要合理设计HMM的结构，可以进一步提升本公开方法的分辨力。
本实施例提供了一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统及方法，通过获得特定的、较大的、单一的体等离激元，从而对显微成像的分辨力有极大的提升；所获得周期性的结构照明图案可以减少成像过程中子图的收集数量，从而在一定程度上提升超分辨成像速度。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，其特征在于，包括：
S1，确定照明模块中双曲超材料结构的参数，以调控所述双曲超材料结构支持高频波的传播；其中，所述双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层；
S2，根据所述双曲超材料结构确定所述照明模块中周期性光栅结构，以使所述周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发所述双曲超材料结构的体等离激元；
S3，使用单波长平面波激发所述照明模块，以产生周期性的结构照明图案照明待成像样品；
S4，在所述单波长平面波不同入射角下采集所述待成像样品产生荧光信息，得到多幅衍射受限子图；
S5，根据所述多幅衍射受限子图使用盲算法重构出超分辨成像图案。
2.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，其特征在于，所述S1包括：
S11，采用等效介质理论方法选取所述金属膜层、介质膜层的厚度；
S12，根据所述金属膜层、介质膜层的厚度采用严格耦合波分析方法确定所述双曲超材料结构能够激发的体等离激元波矢范围；
S13，根据所述体等离激元波矢范围采用优化算法和严格耦合波分析方法对所述金属膜层、介质膜层的厚度进行优化，以调控所述双曲超材料结构支持高频波的传播。
3.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，其特征在于，所述S1中双曲超材料结构的金属膜层的材料包括金、银和铝中的一种；
所述S1中双曲超材料结构的介质膜层的材料包括二氧化硅、二氧化钛和氟化镁中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，其特征在于，所述S2包括：
S21，根据所述双曲超材料结构选取周期性光栅结构的形状、材料；
S22，使用严格耦合波分析、有限元法或时域有限差分法的方法确定所述周期性光栅结构的周期、高度和占空比，以使所述周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发所述双曲超材料结构的体等离激元。
5.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，其特征在于，所述S2中周期性光栅结构的形状包括具有一倍旋转对称的条纹光栅、二倍旋转对称的网格光栅和三倍旋转对称的六边形位置排列光栅中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，其特征在于，所述S2中周期性光栅结构的材料包括二氧化钛、氧化铝、金、银、铬、铝中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，其特征在于，所述S3包括：
使用单波长平面波以一定入射角向所述照明模块照明，通过所述周期性光栅结构的衍射波耦合激发所述双曲超材料结构的体等离激元，干涉后得到周期性的结构照明图案以照明所述待成像样品。
8.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，其特征在于，所述S4包括：
S41，在所述周期性光栅结构的不同方位角下，改变所述单波长平面波的入射角，得到不同相位下的结构照明图案；
S42，在所述不同相位下的结构照明图案下，分别采集所述待成像样品产生的荧光信息，得到多幅衍射受限子图。
9.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像方法，其特征在于，所述S5包括：
S51，使用维纳滤波方法滤除噪声；
S52，根据所述多幅衍射受限子图使用共轭梯度算法在频域反复迭代使目标函数最小化，重构出超分辨成像图案。
10.一种基于双曲超材料的超衍射结构照明显微成像系统，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定照明模块中双曲超材料结构的参数，以调控所述双曲超材料结构支持高频波的传播；其中，所述双曲超材料结构包括交替排列的金属膜层、介质膜层；
第二确定模块，用于根据所述双曲超材料结构确定所述照明模块中周期性光栅结构，以使所述周期性光栅结构的衍射波能够耦合激发所述双曲超材料结构的体等离激元；
照明模块，包括基底、所述双曲超材料结构和所述周期性光栅结构；
光源模块，用于使用单波长平面波激发所述照明模块，以产生周期性的结构照明图案照明待成像样品；
成像模块，用于在所述单波长平面波不同入射角下采集所述待成像样品产生荧光信息，得到多幅衍射受限子图；
超分辨重构模块，用于根据所述多幅衍射受限子图使用盲算法重构出超分辨成像图案。
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