CN115840264A - 一种微球透镜组、全微球光学纳米显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学成像领域，特别涉及一种微球透镜组、全微球光学纳米显微镜。发明提供一种微球透镜组，包括：若干个微球透镜，若干个所述微球透镜按照同轴心的方式垂直叠置构成。本发明通过设计多个微球透镜构成的透镜组，达到超越单个光学微球的放大率以及实像成像模式，进而使得投影到光学相机上的纳米结构的像可以直接被分辨出来，实现全微球的光学纳米显微成像。本发明提供一种全微球光学纳米显微镜，包括：光源装置；微球透镜组；透镜组支架；光电转换装置。采用本发明提供的全微球光学纳米显微镜，其具有对纳米结构的样品进行实像放大的能力，使之处于光电转换装置可分辨的尺度范围内，并且具有制备工艺简单，价格低廉，分辨率高，结构小巧便携等优点。

Description

一种微球透镜组、全微球光学纳米显微镜

技术领域

本发明涉及光学成像领域，特别涉及一种微球透镜组、全微球光学纳米显微镜。

背景技术

光学显微成像是一种重要的对微纳尺度的物体进行表征的技术手段，它在工业生产，科学研究以及教学等领域都有广泛应用。分辨率是光学显微成像技术的一项重要评价指标。受限于光波的衍射效应，通常在普通的光学显微镜中，它只能达到大约光波长的一半。近年来，许多超分辨成像技术已经被开发用于突破光学衍射极限，进而提高光学显微成像的分辨率。其中，光学微球纳米显微成像技术得到科研和工业界的广泛关注，这主要是因为相比于其他的超分辨成像技术，光学微球纳米显微成像技术具有高分辨率，无需荧光标记，低成本以及和传统光学显微镜兼容等优点。然而，由于单个微球的放大倍数一般小于5倍左右，微球仍然需要与传统的光学显微镜物镜搭配使用才能实现纳米成像。这导致整个成像装置体积很大并且生产成本难以下降。

近年，由两个微球构成的透镜组被用于增加放大倍数，取得了良好的效果。借助于两个微球组成的微球透镜组，传统光学显微镜只需要搭配10×的物镜就可以实现光学纳米成像。由于不需要采用高倍率的物镜，装置制造成本在一定程度上有所降低。然而，目前实现的微球透镜组都是非固定的状态，构成透镜组的两个微球很容易错位，无法作为一个稳固的整体使用。此外，物镜在微球纳米成像中还是必不可少的存在，这使得成本依旧较高并且装置体积很大。目前，还没有一种小型化，便携式的光学微球纳米成像装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种微球透镜组、以及一种无需物镜的全微球光学纳米显微镜，它具有装置简单、价格低廉、成像分辨率高以及适用性广等优点。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种微球透镜组，包括：

若干个微球透镜，若干个所述微球透镜按照同轴心的方式垂直叠置构成；

以靠近样品距离的远近，由近至远定义所设置的微球透镜依次为第一个微球透镜、第二个微球透镜...第i个微球透镜；

k个微球透镜构成的所述微球透镜组的成像面位置与所述微球透镜上顶点的距离满足以下公式：

/>

n₀是指所处环境的折射率、n₁是指第一个微球透镜折射率、n_i是指第i个微球透镜的折射率；r₁是指第一个微球透镜的半径，r_i是指第i个微球透镜的半径；l₀是指样品与第一个微球透镜下顶点之间的距离，其在计算中取负值；l′₁是指第一个微球透镜的成像面位置与第一个微球透镜上顶点的距离；l′_i是指第i个微球透镜的成像面位置与对应微球透镜上顶点的距离；

第k个微球透镜的成像面位置与对应微球透镜上顶点的距离l′_k大于0，以使成像面位于第k个微球透镜远离样品一侧.在一更佳的实施例中，k个微球透镜构成的所述微球透镜组的放大率β满足以下公式：

其中β₁是指第一个微球透镜的放大率，β_i是指第i个微球透镜的放大率，β是指整个微球透镜组的总放大率；g_i是指第i个微球透镜和第i-1个微球透镜之间的距离，其在计算中取负值。

在一更佳的实施例中，所述微球透镜组的放大率大于8倍。

在一更佳的实施例中，任意两个相邻的所述微球透镜的间距相同或不同，任意两个相邻的所述微球透镜的间距大于或等于0。

在一更佳的实施例中，所述微球透镜的直径在1μm以上且3mm以下。

在一更佳的实施例中，所述第一个微球透镜的直径在20μm以上且50μm以下。

本发明提供一种全微球光学纳米显微镜，包括：

光源装置，其用于对待观察样品进行光学照明；

微球透镜组，所述微球透镜组采用如权利要求1至权利要求5任一项所述的微球透镜组，其用于采集并放大携带待观察样品信息的反射或透射光；

透镜组支架，其用于限定所述微球透镜组中各个微球透镜的位置；

光电转换装置，其用于采集并分辨由微球透镜组形成的像。

在一更佳的实施例中，所述透镜组支架的上下表面粗糙度<1μm。

在一更佳的实施例中，所述第一个微球透镜的下顶点超出所述透镜组支架的下表面或与所述透镜组支架的下表面平齐。

在一更佳的实施例中，所述微球透镜组的总放大率满足以下条件：

β≥2x/d；

d是指待观察样品上最小待观察特征的尺寸，x是指光电转换装置的像素宽度。

本发明提供的全微球光学纳米显微镜可以应用在半导体芯片检测、生物成像、以及化学等领域。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

(1)采用以光学微球为核心的光学元件进行成像，可以达到超越衍射极限的分辨率；

(2)不需要物镜等宏观尺寸的光学元件，设计简单，造价非常低；

(3)整个显微镜结构紧凑，尺寸极小，便于携带；

(4)具有进一步开发片上实验平台的潜力。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地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有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1为本发明一实施例提供的一种全微球光学纳米显微镜的结构示意图；

图2用于展示将微球透镜组固定于PDMS内部的制造流程；

图3为本发明一实施例提供的微球透镜组中各层微球对准过程示意图及实施例1中微球透镜组的俯视显微镜照片；

图4为本发明实施例1中各由双层球透镜构成的微球透镜组对样品的成像结果图；

图5为本发明实施例2中由三层球透镜构成的微球透镜组的放大率以及投射距离的计算结果图；

图6为本发明实施例2中由三层球透镜构成的微球透镜组对样品的成像结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。

尽管列出本发明宽范围的数值范围和参数是近似值，但具体实施例中列出的数值记录得尽可能准确。但是，任何一个数值本来就具有一定的误差。该误差是其相应的测量方法中得出的标准偏差的必然结果。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1，本发明一实施例提供一种全微球光学纳米显微镜，包括：

光源装置，其用于对待观察样品进行光学照明；在本实施例中的光源装置可以是任意能满足显微成像时的光照需求的发光体，例如，太阳光或是传统的照明光源；不仅如此，该光源装置可以采用任意的照明方式，包括反射式照明和透射式照明等，以样品表面为界，若光源装置布置在与微球透镜组以及光电转换装置同侧时，则需要对其光源的照明角度进行调整，以减少杂散光对成像效果的影响。

微球透镜组，其用于采集并放大携带待观察样品信息的反射或透射光；请继续参考图1，在本实施例中，该微球透镜组包括若干个微球透镜，若干个所述微球透镜按照同轴心的方式垂直叠置构成；

以靠近样品距离的远近，由近至远定义所设置的球透镜依次为第一个微球透镜、第二个微球透镜...第i个微球透镜；

具体来说，微球透镜组为本发明提供的全微球光学纳米显微镜中最核心的元件。该微球透镜组是由若干个(≥2)微米到毫米尺度的球透镜，按照同轴心的方式垂直堆叠组装构成的，而制成这些球的材料在所采用的照明光源光谱范围内是透明的，较佳地，该些球透镜的直径在1μm以上且3mm以下。任意两个相邻的所述球透镜的间距相同或不同，任意两个相邻的所述球透镜的间距大于或等于0，即，该些球透镜之间既可以是完全紧贴在一起的，也可以保持一定的距离。由于待观察样品经微球透镜组放大所成的像需要直接被光电转换装置探测到，所以微球透镜组中最靠近光电转换装置的球透镜必须工作在实像成像模式，并且能够将实像投射的足够远，以便留下足够的摆放以及调整光电转换装置所处位置的空间。

由k(k>2)个微球透镜构成的微球透镜组的成像过程可以按如下方式理解：首先，第一个微球透镜对物体成像。它产生的像作为第二个微球透镜的成像物体，被第二个微球透镜成像，以此类推，直到第k个微球透镜以第k-1个微球透镜生成的像作为物体进行成像，就可以得到整个微球透镜组最终的成像结果。微球透镜组中微球的序号是按照微球离样品的距离由近及远依次增加的，第一个微球透镜和第k个微球透镜分别是透镜组中最靠近和最远离样品的微球。

由此，k个微球透镜构成的所述微球透镜组的成像面位置与所述球透镜上顶点的距离满足以下公式(1)：

/>

n₀是指所处环境的折射率、n₁是指第一个微球透镜折射率、n_i是指第i个微球透镜的折射率；r₁是指第一个微球透镜的半径，r_i是指第i个微球透镜的半径；l₀是指样品与第一个微球透镜下顶点之间的距离，其在计算中取负值；l′₁是指第一个微球透镜的成像面位置与第一个微球透镜上顶点的距离；l′_i是指第i个微球透镜的成像面位置与对应球透镜上顶点的距离；

当公式(1)计算得到的为正值时，成像面分别位于第一个微球透镜或第i个微球透镜的上顶点的上方，而如果为负值，则是位于第一个微球透镜或第i个微球透镜的上顶点的下方，而在本发明中，由k个微球透镜构成的微球透镜组中第k个微球透镜必须工作在实像成像模式，因此，它必须满足如下条件：l′_k应大于0，即第k个微球透镜的成像面位置与对应微球透镜上顶点的距离l′_k应大于0。

此外，微球透镜组的放大率在保证成像对比度，像差等因素的情况下，为使更小的物体能够被整个装置分辨，因而其放大率需要设计的尽量大，以便更好的观察样品，较佳地，所述微球透镜组的放大率大于8倍。在本发明中，k个微球透镜构成的所述微球透镜组的放大率β满足以下公式(2)：

其中β₁是指第一个微球透镜的放大率，β_i是指第i个微球透镜的放大率，β是指整个微球透镜组的总放大率；g_i是指第i个微球透镜和第i-1个微球透镜之间的距离，其在计算中取负值。

所述光电转换装置的像素宽度为x时，所述微球透镜组的总放大率满足以下条件：

β≥2x/d；

d是指待观察样品上最小待观察特征的尺寸。

根据上述公式(1)和(2)可知，整个透镜的成像模式(实像或者虚像)、成像面位置、以及其放大率可以通过选用不同折射率的微球透镜、改变各个微球透镜的大小以及微球透镜之间的间隙来实现。此外，在满足实像成像模式和足够大的放大率的情况下，微球透镜组中，位于最底部靠近样品的第一个微球透镜，需要具有尽量小的尺寸以及高的折射率以保持高的分辨能力，然而，如果该微球透镜太小，则其成像的视野范围会很小，不利于显微镜的实际使用。因此，选择该第一个微球透镜的大小时，需要平衡该微球透镜的分辨能力和成像视野范围，一般优选采用直径在20μm以上且50μm以下的微球透镜；

需要说明的是，(1)当要求所构建的透镜组需要具有超越光学衍射极限的分辨率(<λ/2,λ是照明光波长)时，所述第一个微球透镜的直径优选在20μm以上且50μm以下，如若球透镜尺寸太小，其成像视野也会过小，且很难操控；如若球透镜的尺寸太大，则会导致球透镜的分辨率下降；

(2)当所构建的透镜组不要求具有超越光学衍射极限的分辨率时，第一个微球透镜和样品的距离l₀和所分辨的样品的尺寸d则优选满足以下条件：

其中，λ是指照明光的波长，D₁是指第一个微球透镜的直径，n₀是指球透镜所处环境的折射率。

透镜组中最顶部靠近光电转换装置的微球透镜则需要尽量的大，以便可以把产生的像投射到足够远的位置，方便安装光电转换装置，具体来说，在本发明中，从实际制造的角度出发，该第k个微球透镜的直径需要选择较大的原因是由于该球透镜越大，实像投射出透镜组的距离就越远，能够给光电转换装置的放置留有更多的可操作空间；如若仅仅是从光学成像原理的角度来说，第k个微球透镜的直径只需要满足前述的放大率和实像成像模式的要求即可。

透镜组支架，其用于限定所述微球透镜组中各个微球透镜的位置；在本实施例中，透镜组支架是一个用来固定微球透镜组中各个微球相对位置的装置，它能够使整个微球透镜组按照设计的空间排布来进行工作。具体来说，透镜组支架可以采用任意可行的支撑方案，包括带孔的金属或者硅薄片，锥形探针，光镊以及有机薄膜等，例如，当微球透镜组需要工作在空气环境中时，可以在硅片上沿着厚度方向制备不同大小的同心孔，使得微球透镜组里的各个微球透镜正好能够按照设计的间隔卡在这些设定的孔洞里用于成像；而当微球透镜组需要在固体浸没的环境中工作时，可以将球透镜按上下顺序堆叠组装在PDMS胶体中并进行加热固化实现，具体步骤如下：

(1)将微球透镜组中最顶部的微球透镜(顶层微球透镜)沉积在硅片上；

(2)用PDMS胶体浸没微球透镜；

(3)固化PDMS并将其从硅片上剥离；

(4)将微球透镜组的第二层微球透镜(中间层微球透镜)沉积在硅片上；

(5)用PDMS胶体浸没第二层微球透镜(中间层微球透镜)；

(6)将顶层微球透镜和第二层微球透镜同心垂直对准并保持预设的间隔；

(7)固化PDMS并将其从硅片上剥离；以及可选地

(8)重复步骤(4)至步骤(7)直到得到所设计的微球透镜组。

采用某种支撑方案时，必须尽量弱化支撑体对成像数值孔径及信噪比等方面的影响。此外，透镜组支架的下表面需要足够平坦、以及透镜组支架的上表面也需要足够平坦，以便CCD芯片可以移动到成像面处不受阻挡，即所述透镜组支架的上下表面粗糙度<1μm；在该透镜组支架的设计中，优选地，所述第一个微球透镜的下顶点超出所述透镜组支架的下表面或与所述透镜组支架的下表面平齐，也即：微球透镜组中最底部的微球透镜的下顶点需要伸出透镜组支架或者至少与透镜组支架下表面平齐，以便样品能够更加靠近微球透镜组，实现更高分辨率的成像。

光电转换装置，其用于采集并分辨由微球透镜组形成的像。在本实施例中，该光电转换装置可以是相机(CCD)，下文统称CCD；光电转换装置对于所述的全微球光学纳米显微镜的分辨率同样至关重要。待观察样品经微球透镜组放大所成的像会直接以光场强度分布的形式投射到CCD芯片上。因此，CCD芯片必须正好放置在实像成像面的位置上。物体的像只有大于CCD像素点尺寸才能够被分辨。CCD的像素点越小，该显微镜的分辨率就能越高。此外，CCD的电流噪声，热噪声等也会影响整个系统的分辨率。

位移台，透镜组支架和CCD都可以安装在高精度的三维位移台上，以便调节他们的相对位置，实现更好的成像效果。样品物距的改变会影响实像成像面的位置，这种情况下，需要利用位移台将CCD移动到准确的成像面的位置用于成像。此外，环境振动和温度波动等也会改变透镜组支架和相机的相对位置，这种情况下也需要利用位移台对他们的相对位置进行微调，实现最佳的成像效果。

需要说明的是，本发明中所涉及的方法如无特殊说明，均为本领域常规方法；上述实施例中的具体参数或一些常用试剂，为本发明构思下的具体实施例或优选实施例，而非对其限制；本领域技术人员在本发明构思及保护范围内，可以进行适应性调整。

本发明提供如上实施例所述的全微球光学纳米显微镜的成像方法说明，如下：

该显微镜工作时，首先光源会照亮样品，从样品透射或者反射的光携带着样品的信息会被微球透镜组收集；最底部微球透镜收集到的光信号经过其余微球透镜的传递、放大，最终直接投射到CCD上进行成像。利用微球透镜的超强的光收集以及光学变换能力，使得具有小于光学衍射极限尺寸的样品也可以被该显微镜分辨。

以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

实施例一采用双层球透镜构成的微球透镜组，实施例二则采用的三层球透镜构成的微球透镜组。该两个实施例采用相似的成像装置结构和器件制备方法。为简化描述，在此，对这该两个实施例的成像装置结构和微球透镜组制备方法进行统一阐述，而后再介绍各自的成像效果。

具体来说，请参考图1所示出的全微球光学纳米显微镜的结构示意图，PDMS薄膜被选作为透镜组支架、以及浸没介质，微球透镜组被固定于PDMS薄膜的内部，PDMS薄膜具有平整的表面，尤其便于各元件位置的调节。光源装置则采用LED照明光源，并采用了透射式的照明方式。照明光首先穿过样品，同时携带上待观察样品的图案信息；接着，透射光被位于微球透镜组最底层的第一个微球透镜所收集，然后被微球透镜组中其他微球透镜依照靠近样品距离的远近依次传递并放大光场强度分布图案；最后，微球透镜组中位于最顶部的微球透镜将光场图案投射到CCD芯片上，CCD会记录光场强度分布也就是待观察样品的放大实像。由此，借助于一系列微球透镜即可实现纳米尺度的光学成像，全程不需要宏观尺度的光学透镜参与，尤其是物镜的参与，极大地减小了整个装置的尺寸以及制造成本。

图2用于展示将微球透镜组固定于PDMS内部的制造流程。微球透镜组是从上往下逐层堆叠制备的。首先，将最顶层的微球透镜(记为顶层微球透镜)沉积在硅片上，然后向硅片上滴胶状的PDMS，待PDMS摊平，而后将其放在热台上加热固化0.5h，随后将固定在PDMS内的顶层微球透镜从硅片上剥离；接着，将微球透镜组位于顶层微球透镜下方的中间层微球透镜沉积在硅片上，往硅片上滴胶状的PDMS，待PDMS摊平后，请参考图3(a)所示，在显微镜下将刚刚固定在PDMS内的顶层微球透镜与中间层微球透镜同心对准并保持设计的距离，待该两层PDMS固化成为一个整体后，即可将之从硅片上剥离，继续重复图2中的过程4至7即可得到任意数量层的微球透镜组；图3(b)则是用于展示制备过程中浸没在PDMS里面的单层微球和双层微球的显微镜照片。

实施例1

为了检验所提出的实验方法实现的全微球纳米成像显微镜的实际成像能力，本实施例提供一由双层微球透镜组成的透镜组被成功制备并用于成像性能表征。该微球透镜组是由一个直径220μm，折射率～1.93的钛酸钡微球和一个直径950μm，折射率～1.9的钛酸钡微球组成的。该两个微球透镜相互贴紧(也就是球之间的间隙g₂＝0)，由此构成的微球透镜组，当它紧贴着样品进行成像时(也就是球与样品之间的距离l₀＝0)，它可以达到～10倍的放大率并且最上面的微球透镜工作在实像成像模式。图3(b)用于展示制备过程中浸没在PDMS里面的单层微球和双层微球的显微镜照片。接着，一个常规的工业CCD被用于图像的采集。CCD的像素大小为1.62μm。在镀金的玻璃上，一些用聚焦离子束直写的图案被用作成像样品。请参考4(a)所示，该些图案的最小特征尺寸为350nm。成像时，样品被固定在一个三维的位移台上。利用位移台，可以将样品面上任意感兴趣的位置移动到微球透镜组下方进行成像。CCD被安装在另一个位移台上，通过它，可以将CCD调节至微球透镜组的实像成像面处。照明光源采用的是白光LED，其中心波长为550nm。该全微球纳米成像显微镜拍到的样品图片展示在图4(b)中。350nm的微小结构同样可以清晰地被本实施例提供的全微球纳米显微镜分辨出来。利用传统的光学显微镜搭配10倍，20倍以及100倍的物镜拍到的这个样品的显微照片展示在图4(e)-4(g)中。将这些图片与图4(b)进行对比可以发现，由本实施例提供的双球透镜构成的全微球纳米显微镜比传统光学显微镜搭配20倍物镜的成像效果更佳，且它的分辨率达到了～0.6倍波长，非常接近光学衍射极限。

正如前所述，本发明中全微球光学纳米显微镜在设计上对微球透镜组的放大率和成像模式存在要求。如果微球透镜组不能满足这些要求，则制造出的全微球光学纳米显微镜不能实现纳米尺度的分辨能力。

作为对比实验，提供另外两组由两个微球透镜构成的微球透镜组用于成像。为了便于说明，将由该两组由两个微球透镜组构成的显微镜分别称为全微球显微镜2和全微球显微镜3。全微球显微镜2中透镜组是由一个直径420μm、折射率～1.9的钛酸钡球透镜和一个直径950μm、折射率～1.9的钛酸钡球透镜组成。全微球显微镜2中两个微球之间的间隙g₂为0。当全微球显微镜2紧贴着上述样品进行成像时，即l₀＝0，成像结果如图4(c)所示，它的透镜组的放大率仅仅只有～3倍。由于放大率很小，样品中330nm的微小结构经过放大后的像只有～1μm，这个尺度小于两个像素点的大小，因此这些微小结构不能够被CCD所分辨。

该实验结果证明：足够大的放大率设计对本发明的重要性。全微球显微镜3中透镜组是由一个直径86μm、折射率～2.2的钛酸钡球透镜和一个直径950μm、折射率～1.9的钛酸钡球透镜组成的。全微球显微镜3中两个微球之间的间隙g₂为0。由于该透镜组中顶部微球工作在虚像成像模式，样品的像不会投射至微球透镜组上方，因此CCD在微球透镜组上方空间无法采集到样品的像。

图4(d)用于展示使用全微球显微镜3对上述样品成像时，微球透镜组上方的典型光场分布。在成像过程中，全微球显微镜3紧贴着成像样品，即l₀＝0。全微球显微镜2能够对样品成像，只是由于放大率不足，只能看到大的图案的轮廓而无法分辨其内部纳米尺度结构。与之不同的是，全微球显微镜3的顶部微球由于不工作在实像成像模式，在微球透镜组上方空间只能拍到一个相对均匀的背景光场而不存在样品的像。这些实验结果证明，通过设计微球透镜组中各微球的大小和折射率使之具有足够大的放大率并且顶部微球工作在实像成像模式是实现本发明功能的必要条件。

实施例2

为了进一步地提高成像分辨率，该微球透镜组最底部的微球需要具有更小的直径。而为了维持较长的投射距离(成像面位置距离顶层微球顶点的距离)，最顶部的微球必须足够大。在这种两难的情况下，两个微球组成的透镜组很难实现目标的放大率以及成像质量。此时，较佳地，可以采用三个、四个或者更多个微球透镜来搭建微球透镜组。为了保证成像分辨率和实像投射距离，该微球透镜组最底部和最顶部的球透镜分别采用一直径为34μm、折射率为2.2的钛酸钡球透镜和一直径为940μm、折射率为1.9的钛酸钡微球透镜。根据几何光学理论计算得到的微球透镜组放大率以及投射距离随着第二层微球(折射率1.9)的直径变化的曲线展示在图5中。而当第二层微球直径在400μm-700μm范围内时，可以同时维持较大的放大率和投射距离，基于此，600μm的微球透镜被用于制备这个三微球组成的全微球纳米显微镜。

为了检验该三层球透镜组成的全微球纳米显微镜的实际成像能力，请参考图6(a)所示出的，一个具有216nm(0.39倍波长)最小特征尺寸的样品被用于成像表征实验，该全微球纳米成像显微镜拍到的样品照片展示在图6(b)中，216nm的微小结构可以从图6(b)中被分辨出来。而利用传统的光学显微镜搭配10倍，20倍以及100倍的物镜拍到的这个样品的显微照片展示在图6(c)-6(e)中。将这些照片与图6(b)进行对比可以发现，这个由三层球透镜构成的全微球纳米成像显微镜比传统光学显微镜搭配100倍物镜的成像效果略好。

可见，本发明提供的全微球纳米显微镜能够分辨尺寸小于光学衍射极限的图案(0.39倍波长)，且它的制造成本又远比普通光学显微镜搭配100倍物镜更低，因此，具有极强的市场竞争力。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

尽管本文中较多的使用了诸如微球透镜组、球透镜、光源装置、透镜组支架、光电转换装置等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微球透镜组，其特征在于，包括：

若干个微球透镜，若干个所述微球透镜按照同轴心的方式垂直叠置构成；

以靠近样品距离的远近，由近至远定义所设置的微球透镜依次为第一个微球透镜、第二个微球透镜...第i个微球透镜；

k个微球透镜构成的所述微球透镜组的成像面位置与所述微球透镜上顶点的距离满足以下公式：

n₀是指所处环境的折射率、n₁是指第一个微球透镜折射率、n_i是指第i个微球透镜的折射率；r₁是指第一个微球透镜的半径，r_i是指第i个微球透镜的半径；l₀是指样品与第一个微球透镜下顶点之间的距离，其在计算中取负值；l’₁是指第一个微球透镜的成像面位置与第一个微球透镜上顶点的距离；l’_i是指第i个微球透镜的成像面位置与对应微球透镜上顶点的距离；

第k个微球透镜的成像面位置与对应微球透镜上顶点的距离l’_k大于0，以使成像面位于第k个微球透镜远离样品一侧。

2.根据权利要求1所述的微球透镜组，其特征在于：k个微球透镜构成的所述微球透镜组的放大率β满足以下公式：

其中β₁是指第一个微球透镜的放大率，β_i是指第i个微球透镜的放大率，β是指整个微球透镜组的总放大率；g_i是指第i个微球透镜和第i-1个微球透镜之间的距离，其在计算中取负值。

3.根据权利要求1所述的微球透镜组，其特征在于：所述微球透镜组的放大率大于8倍。

4.根据权利要求1所述的微球透镜组，其特征在于：任意两个相邻的所述球透镜的间距相同或不同，任意两个相邻的所述微球透镜的间距大于或等于0。

5.根据权利要求1所述的微球透镜组，其特征在于：所述微球透镜的直径在1μm以上且3mm以下。

6.根据权利要求1所述的微球透镜组，其特征在于：所述第一个微球透镜的直径在20μm以上且50μm以下。

7.一种全微球光学纳米显微镜，其特征在于，包括：

光源装置，其用于对待观察样品进行光学照明；

微球透镜组，所述微球透镜组采用如权利要求1至权利要求6任一项所述的微球透镜组，其用于采集并放大携带待观察样品信息的反射或透射光；

透镜组支架，其用于限定所述微球透镜组中各个微球透镜的位置；

光电转换装置，其用于采集并分辨由微球透镜组形成的像。

8.根据权利要求7所述的全微球光学纳米显微镜，其特征在于：所述透镜组支架的上下表面粗糙度<1μm。

9.根据权利要求7所述的全微球光学纳米显微镜，其特征在于：所述第一个微球透镜的下顶点超出所述透镜组支架的下表面或与所述透镜组支架的下表面平齐。

10.根据权利要求7所述的全微球光学纳米显微镜，其特征在于：所述微球透镜组的总放大率满足以下条件：

β≥2x/d；

d是指待观察样品上最小待观察特征的尺寸，x是指光电转换装置的像素宽度。

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