CN117826388A - 一种纳米成像增强系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米成像增强系统和方法，包括光学成像组件，所述光学成像组件设置有照明光路和成像光路，其特征在于：还包括微球、夹具组件和图像检测装置，所述微球位于所述照明光路和所述成像光路上以实现对样品进行纳米成像；所述夹具组件与所述微球相连且可沿三轴移动使得所述微球定位于靠近但不与所述样品表面接触的位置；所述图像检测装置位于所述成像光路中以探测经所述成像光路增强后的所述纳米成像图像。本发明利用微球的聚焦能力对样品进行点扫描成像，提供在远场获得亚微米至十纳米级空间信息的可能性。

Description

一种纳米成像增强系统和方法

技术领域

本发明涉及光学纳米成像领域，特别是指一种纳米成像增强系统和方法。

背景技术

光学显微镜是一种利用可见光和光学透镜组对小物体进行放大成像的装置。尽管为了提高成像分辨率和成像对比度，采用了许多复杂的光学元件设计，但传统的光学显微镜仍是最简单的显微观测手段。

点光源在透镜的高倍放大时，形成由衍射环包围的艾里斑。光学显微镜的分辨能力被定义为区分两个间隔很近的艾里斑的能力(换句话说，是光学显微镜显示相邻结构细节的能力)。艾里斑的存在限制了获取更小特征细节的能力。而艾里斑的大小受光的波长(λ)、透镜的材料折射率(n)和物镜的数值孔径(NA)的影响。因此，存在一个极限，一旦超过这个极限，就无法分辨出物镜场中单独的点，称为光学衍射极限。

几个世纪以来，光学透镜制造商和研究人员一直在努力追求更高分辨率的光学显微镜，阿贝衍射极限认为传统光学将分辨率限制在入射波长的一半左右。特别是在传统的明场和远场显微镜下，由于环境中非焦平面光对最终成像的影响，使得成像对比度往往很低，效果不佳。

为了增强成像对比度，一种方法是优化显微镜的照明条件和成像软件的设置；另一种方法是增加光学元件以排除环境光的干扰。具体是通过在探测器前放置一个微小的针孔来消除最终成像中的非焦平面光，来实现共聚焦成像。与远场显微镜相比，共聚焦显微镜技术由于阻挡了散焦光，通常具有更好的光学对比度和更高的分辨率，从而提高物镜侧的聚焦能力实现系统性能的提升。

为实现高分辨显微成像以提高显微镜系统的成像性能，一种高折射率能够产生亚波长聚焦的光学元件至关重要。对于传统的高数值孔径物镜，也只能形成一个大小与入射波长相当的聚焦光斑(对于NA＝1.4的油浸物镜为0.87λ)。微球已被发现可以显著提高显微成像和激光纳米制造的特征分辨率。

研究表明，将微球耦合到传统的显微镜系统中带来了显著成像改进，并成功地成像了远小于光学衍射极限的纳米特征。与传统的光学成像仅通过实像成像的原理不同，当微球被放置在与样品表面足够近时，此时微球纳米显微镜工作在放大虚像的成像模式。样品表面的细节特征被放大成像，从而使光学显微镜系统能够捕获并分辨虚像。因此，在普通显微镜下无法分辨的细微特征，在微球纳米显微镜下是可见的。

这一突破进一步引起了微球成像研究的广泛兴趣。这些研究证实了微球的分辨性能。一般来说，微球的功能是将样品的虚拟图像放大到常规光学显微镜可以分辨的大小。微球还能将入射光聚焦成一个很小的光斑。通过在样品表面上引入微球，聚焦光可以照亮样品上的亚波长特征。放大的虚拟图像可以通过眼睛或光学图像传感器(如CMOS,sCMOS,CCD等)形成并捕获。目前，在该技术的发展中，大多数研究都是将微球直接放置在样品上进行的，这种方法存在许多缺点，如对脆弱样品的污染或破坏，无法扫描表面，样品和微球难以分离，难以获得最佳成像平面。

当显微技术与微球结合使用时，如果将微球直接与样品表面接触，在所得到的成像中会出现多个同心圆环，称为牛顿环。这些环是在相干激光照射下微球与衬底表面的反射光相互作用的结果。这些环会降低成像质量，甚至会对成像中可以分辨的最小特征造成实际限制。因此，迫切需要一种改进的具有更高分辨率的成像系统。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种纳米成像增强系统和方法，利用微球作为光学元件用于分辨率增强的显微镜成像，从而提供了在远场获得亚微米至十纳米级空间信息的可能性。

本发明采用如下技术方案：

一种纳米成像增强系统，包括光学成像组件，所述光学成像组件设置有照明光路和成像光路，其特征在于：还包括微球、夹具组件和图像检测装置，所述微球位于所述照明光路和所述成像光路上以实现对样品进行纳米成像；所述夹具组件与所述微球相连且可沿三轴移动使得所述微球定位于靠近但不与所述样品表面接触的位置；所述图像检测装置位于所述成像光路中以探测经所述成像光路增强后的所述纳米成像图像。

所述光学成像组件包括有依次排列的光源、第一针孔、透镜、分光镜、扫描镜组和物镜，所述微球位于所述物镜和所述样品之间，所述第一针孔且位于所述光源和所述透镜之间的焦平面处以过滤散焦光；所述照明光路中，所述光源经所述透镜准直后射入所述分光镜，所述分光镜将光束反射进入扫描镜组，再经物镜聚焦至所述微球，所述微球再将光束聚焦至所述样品表面。

所述光学成像组件还包括有第二针孔和管状透镜，所述管状透镜位于所述分光镜和所述图像检测装置之间，所述第二针孔位于所述管状透镜和所述图像检测装置之间的焦平面处以过滤散焦光；在所述成像光路中，所述微球的成像平面的反射光依次进入所述物镜和所述扫描镜组，所述扫描镜组快速扫描所述成像平面上的聚焦光束以生成所述样品的增强图像；所述增强图像依次经所述分光镜和所述管状透镜聚焦至所述图像检测装置。

微球为电介质微球或聚合物微球；所述微球的直径位于4μm至20μm之间。

所述夹具组件包括座体、夹臂和三轴运动模块，所述三轴运动模块安装于所述座体上且连接驱动所述夹臂沿三轴移动；所述夹臂上设有狭槽以夹持所述微球。

所述夹臂包括第一主体部和第二主体部，所述第一主体部和所述第二主体部局部相连并设有所述狭槽，所述狭槽沿第一轴线延伸并设有第一耦接面和第二耦接面以夹持所述微球。

所述微球被夹持于所述狭槽时，所述第一耦接面或所述第二耦接面与所述第一轴线之间的夹角大于所述光学成像组件的物镜的数值孔径对应的角度。

所述微球与所述样品表面的距离为小于等于5μm。

还包括有三轴样品台，所述样品和所述夹具组件位于所述三轴样品台上。

一种纳米成像增强方法，其特征在于：在光学成像组件的照明光路和所述成像光路上设置微球实现对样品进行纳米成像；采用夹具组件夹持并带动所述微球沿三轴移动使得所述微球定位于靠近但不与所述样品表面接触的位置；在所述成像光路中探测经所述成像光路增强后的纳米成像图像。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明中，设置光学成像组件、微球、夹具组件和图像检测装置，微球位于照明光路和成像光路上以实现对样品进行纳米成像，夹具组件用于带动微球沿三轴移动使得其定位于靠近但不与样品表面接触的位置，图像检测装置位于成像光路中以探测经成像光路增强后的纳米成像图像，本发明利用微球的聚焦能力对样品进行点扫描成像，提供在远场获得亚微米至十纳米级空间信息的可能性。

2、本发明中，利用具有选定参数(折射率、直径和相对位置)的微球提供光对样品的亚波长聚焦，采用夹具组件与微球配合能避免微球与样品物体的物理接触作为独特的光学透镜；并且，在光学成像组件设置针孔与微球耦合，有效滤除背景噪声信息

3、本发明中，实现一种具有预集成微球的节省空间的显微镜配件，可以组装到大多数传统的共聚焦显微镜上，并以低成本和高效率实现超分辨率。

4、本发明光路设置和操作程序兼顾了传统光学显微镜和微球纳米成像的优点。与其他光学显微镜方法相比，优势在于其非接触性，自由度较大，成像视场大。本发明涉及微球布置及其在各种样品的微纳米成像中的应用，包括但不限于半导体、金属和生物样品。

附图说明

图1是本发明系统示意图；

图2为夹臂结构图；

图3为微球被夹持的俯视图；

图4是现有显微镜成像能力的表征；

图5为关于阳极氧化铝(AAO)的本发明显微成像能力与现有显微成像能力对比；

图6为采用50μm微球在20×objective透镜(NA＝0.42)下对罗丹宁染色的人脸颊细胞样品进行纳米成像；

图7为本发明系统对微纤维样品进行纳米成像。

图8为不同显微系统观察Ted Pella标准样品(线宽150nm)的成像对比图。

图9为不同显微系统观察FIB样品轴向和横向结果的成像对比图。

其中：1.微球；2.夹具组件，2a、夹臂；3.座体；4.样品；5.三轴样品台；6.物镜；7.光源；8.第一针孔；9.透镜；10.分光镜；11.扫描镜组；12.管状透镜；13.第二针孔；14.图像检测装置；15.计算机。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅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，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

参见图1，一种纳米成像增强系统，包括光学成像组件、微球1、夹具组件2和图像检测装置14等。光学成像组件设置有照明光路和成像光路，照明光路用于将光照射至样品4表面，成像光路利用光的反射和折射等对样品4进行成像。微球1位于照明光路和成像光路上以实现对样品4进行纳米成像。夹具组件2与微球1相连且可沿三轴移动使得微球1定位于靠近但不与样品4表面接触的位置。图像检测装置14位于成像光路中以探测经成像光路增强后的纳米成像图像。

本发明的光学成像组件是指用于成像和/或放大样品的任何组件，该组件包括但不限于显微镜的物镜6等。通过光学成像组件直接对微球1的视场范围内的面图像进行获取。具体的，其可包括有从光源端到样品端依次排列的光源7、第一针孔8、透镜9、分光镜10、扫描镜组11和物镜6等。光源7可采用围绕中心工作波长具有窄波长带的相干激光器或非相干发光二极管(LED)发射。微球1通过夹具组件2固定并位于物镜6和样品4之间，即微球1可置于样品4表面之上，例如，微球1与样品4表面的距离可为小于等于5μm。

第一针孔8且位于光源7和透镜9之间的焦平面处以过滤散焦光。在照明光路中，光源7经透镜9准直后射入分光镜10，分光镜10将光束反射进入扫描镜组11，再经物镜6聚焦至微球1，微球1再将光束聚焦至样品4表面。即光束照射至样品4表面，从样品4表面反射的光束通过微球1并经光学成像组件聚焦。

光学成像组件还包括有第二针孔13和管状透镜12，管状透镜12位于分光镜10和图像检测装置14之间，第二针孔13位于管状透镜12和图像检测装置14之间的焦平面处以过滤散焦光。在成像光路中，样品4表面反射的光束进入微球1实现纳米成像，微球1的成像平面的反射光依次进入物镜6和扫描镜组11，扫描镜组11快速扫描成像平面上的聚焦光束以生成样品4的增强图像；增强图像依次经分光镜10和管状透镜12聚焦至图像检测装置14。

其中，设置第一针孔8和第二针孔13能有效地过滤背景噪声并获得高对比度图像，即提高图像分辨率和对比度。在无限远校正系统中，针孔位置的微小轴向偏移将导致从样品4表面上不同高度反射回来的光强度发生明显变化，从而产生更高的边缘对比度。然而，微球1下的特定虚像平面存在一个共轭平面，通过对针孔位置的调控，可以实现三维图像的获取。在图像侧，由于图像的放大倍数是通过微球1和物镜6获得的，因此调整针孔的公差远大于微球1-样品4距离的公差。

本发明的微球1是直径在微米范围内的任何小的球形颗粒。这种微球1在照明波长下是透明的。在本发明的实施例中，微球1的直径可以在4μm至20μm之间。微球1可以是电介质微球或聚合物微球。微球1在样品4表面上的水平平面(XY平面)精确移动可以获得大视野的图像，微球1在轴向方向(Z轴)移动可捕获不同虚拟成像平面上的图像。

当入射光进入微球1时，会发生全内反射，使得光在微球1内部多次反射。在共振时，增强的能量只通过一个小窗口发射出去。利用微球1的这一特性可以产生许多新应用，例如，微球1可以形成一个高效的激光腔。

夹具组件2用于固定及带动微球1移动。其包括座体3、夹臂2a和三轴运动模块，三轴运动模块安装于座体3上且连接驱动夹臂2a沿三轴移动，即可驱使夹臂2a沿X轴、Y轴和Z轴移动实现位置调整。三轴运动模块可以手动进行移动，例如通过手动操作螺纹，也可以由控制单元控制，例如可采用常见的XYZ三轴运动平台实现。夹臂2a上设有狭槽150以夹持微球1，或者夹臂2a上设置薄膜作为微球1的载体，或者件夹臂2a上设置有针的尖端以夹持微球1。

具体的，参见图2，夹臂2a包括第一主体部110和第二主体部120，第一主体部110和第二主体部120局部相连并设有狭槽150，即第一主体部110及第二主体部120可在其相接160的部分直接相连。狭槽150沿第一轴线延伸并设有第一耦接面130和第二耦接面130以夹持微球。第一耦接面130为第一主体部110的一侧，第二耦接面140为第二主体部面向或相对于第一耦接面130的一侧。组装后，微球40在第一耦接面130处耦接于第一主体部110，且微球40在第二耦接面140处耦接于第二主体部120，第一耦接面130不同于第二耦接面140。

狭槽150可为开放式以使得从第一通路174接收微球40，其中第一通路174大致上平行于第一轴线170。可替代地，微球40’可由另一个通路174’接收，其中第二通路174’相对于第一通路174具有角位移。狭槽150的第一耦接面130和第二耦接面140形成的轮廓可以是倒金字塔或锥形等。采用这种结构可允许微球1插入到狭槽150的一端，但不会从另一端脱离，即可将微球1限位于狭槽150内。

实际应用中，第一主体部110与所述第二主体部120由间距间隔开，间距具有沿第一轴线170的至少两个不同的宽度。可选地，第一主体部110与第二主体部120不平行。狭槽150可被设置为凹口，第一耦接面130及第二耦接面140倾斜为类似三角形的两侧，即狭槽150在上下方向(Z轴方向)上的尺寸从一端到另一端的逐渐减小或逐渐增大。采用这种结构可允许微球1插入到开口的一端，但不会从另一端脱离，即可将微球1限位于开口内。

实际应用中，狭槽150可采用常见的合适的方法制造，例如通过蚀刻方法(化学或机械)等，其表面涂有合适的不透明材料。夹臂/夹具表面的镀层材料可采用金属，金属优选可从包含金、银、铬、铝、铜或其组合的组中选择。其中，狭槽150的厚度等于或小于微球1的直径。夹具或夹臂的主体材料可选择：硅、二氧化硅、蓝宝石、聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚(对苯二甲酸乙酯)或其组合。

当微球1位于物镜6和样品4表面之间时，且微球1被夹持于狭槽150时，第一耦接面130或第二耦接面140与第一轴线170之间的夹角大于光学成像组件的物镜的数值孔径对应的角度，参见图3，第一耦接面130或第二耦接面140与第一轴线170之间的夹角即为角度192的一半。物镜6的数值孔径在不同的放大倍数下是不同的。因此，该角度建议大于所应用光学成像组件中物镜6的最高数值孔径。通常，在环境空气环境中成像时，物镜6的数值孔径最大为0.9，对应的角度为64°。因此，在实施例中，角度大于64°以优化成像质量。

本发明设置的夹具组件2可避免观测时对样品4的污染和破坏，另一方面，由于引入了物镜6与微球1之间的距离，可以通过调整微球1的位置，实现最佳像面的灵活定位，从而保证了实验装置的最佳性能。此外，当微球1和样品4分离时，整个样品4表面的扫描可以通过移动承载样品4的平台或移动位于夹具上的微球1来实现。

具体的，还包括三轴样品台5，样品4和夹具组件2位于三轴样品台5上，通过三轴样品台5实现样品4位置的调节。该三轴样品台5也可设置有三轴移动平台，包括XYZ，可通过手动或自动控制实现。

由于本发明的成像扫描模式快于传统的点扫描模式，可以用于微流控平台中的动态成像应用，如生物研究等，还可用于包括微流控装置衬底上的任何微球透镜阵列，并且可作为基于光子纳米射流现象的光学检测方法的一部分，该方法在微流控通道中传输纳米物体，其深度与光子纳米射流的纵向尺寸相当。

本发明中，当有足够的计算能力处理图像时，扫描速度可以比点扫描方式快得多。例如，如果点扫描模式的视场为200nm×200nm，则需要25万个数据点才能完全扫描100μm×100μm的样本区域。在成像方式上，典型的视场可达2μm×2μm，完成同一区域的扫描仅需2500张数据图像，这种成像模式对扫描系统的控制精度要求较低。

本发明的图像检测装置14包括有图像检测器和计算机15，图像检测器用于检测图像，通常是电荷耦合器件(CCD)相机或光电倍增管(PMT)检测器等。设置计算机15还可用于对图像进行后处理帮助纠正像差。计算机15可通过已知参数的球形界面后通过反计算电磁场分布来实现纠正像差。例如采取计算成像中的像差纠正算法或者采用深度学习算法的等。对于深度学习算法，如生成对抗网络(GAN)，对微球成像和非微球成像的结果进行对比训练，找出稳定的像差部分，以用于成像结果的像差纠正。因此，本发明的系统将提供在横向和轴向更好的分辨率。另外，计算机15还用于控制三轴移动平台、扫描镜组11和图像检测器等的工作状态。

本发明还提出一种纳米成像增强方法，采用上述的一种纳米增强系统实现，即在光学成像组件的照明光路和成像光路上设置微球1实现对样品4进行纳米成像；采用夹具组件2夹持并带动微球1沿三轴移动使得微球1定位于靠近但不与样品4表面接触的位置；在成像光路中探测经成像光路增强后的纳米成像图像。本发明涉及微球1布置及其在各种样品4的微纳米成像中的应用，包括但不限于半导体、金属和生物样品。

在未安装微球1的情况下，首先使用常规的显微镜系统对Newport HIGHRES-1目标进行成像，表征原始共聚焦激光扫描显微镜的分辨率。共聚焦成像使用两个物镜，即一种为20x物镜，另一种为50x物镜，光源为405nm激光。图4中的(a)为HIGHRES-1目标在20x物镜下的共聚焦成像结果，其中分辨率最高的部分是区域8线6区的条形/空间特征，对应的条形宽度为1.096μm。图4中的(b)为50x物镜下的同一目标的成像结果，最佳结果可以分辨出11线2区，其线条宽为218nm。

图5中的(a)为孔径为40～70nm的阳极氧化铝(AAO)的SEM图像。图5中(b)为AAO样品的微球增强显微照片，具有纳米孔特征。

如图6所示，采用本发明系统的50μm的微球1在20×objective透镜(NA＝0.42)下对罗丹宁染色的人脸颊细胞样品进行成像，最小样品特征为～300nm。图中的(a)-(c)通过微球1和针孔对细胞的图像2D成像，比例尺：2μm。(d)和(e)通过(i)平面横向扫描，(ii)垂直调整微球1-样品4距离(步长为100nm)并重新扫描同一横向区域获得的三维构造图像；(iii)使用ImageJ软件从堆叠图像中渲染3D体视图。(d)和(e)中的颜色是由软件根据图像亮度分配，以映射样本的相对高度。在这个实施例中，采用LED作为光源。通过横向扫描获得单一平面的图像，并通过纵向扫描获取一定z范围内不同平面的图像。通过ImageJ后处理获得可展示相对高度的三维图像。

如图7所示采用本发明系统对最小厚度在亚微米范围的人造纤维样品进行成像。图中的(a)-(b)为通过微球1和针孔从两个不同的微球1的样品4距离上拍摄的图像，比例尺：2μm。(c)通过(i)平面横向扫描，(ii)垂直调整微球1-样品4距离(步长为100nm)并重新扫描同一横向区域获得3D构造图像。(d)三维扫描“微纤维”的XZ平面视图。在这个实施例中，采用LED作为光源。通过横向扫描获得单一平面的图像，并通过纵向扫描获取一定z范围内不同平面的图像。通过ImageJ后处理获得可展示相对高度的三维图像，并可获得横截面图像。

对利用微球1与共聚焦显微镜相结合的装置成像结果进行了实验以其纳米成像性能测试，获得了成像对比度与分辨率均高于商用共聚焦显微镜的成像效果。在这个实施例中，本发明系统的照明光源采用LED光源。这种LED光源最好是具有窄带宽的单波长。为了对本申请的成像对比度进行基准测试，在标准显微镜校准目标(Ted Pella)上的成像结果。

如图8所示，其中显示了三种成像结果。这些成像结果分别是通过扫描电子显微镜(TESCAN)、本申请的系统和传统的共聚焦激光扫描显微镜(尼康)获得的。具体而言，用于比较的商用共聚焦显微镜采用高NA(0.95)150x物镜，照明光源为405nm激光二极管。而在本发明中，在中心为470nm的LED光源的照明下，选用低NA(0.55)50×物镜与微球1耦合。

如图8中(a)所示，用方框围起来的区域采用另外两种方法进行测试，其中区域是一组线宽为150nm的L型纳米特征结构。图8中(b)和(c)展示了通过本发明的系统以及使用商用共聚焦显微镜分辨150nm纳米线的能力。结果表明，本发明所获得的成像对比度明显高于商用共聚焦显微镜。图8中(b)和(c)中的两条线分别绘制强度分布图，以便直观地比较其成像对比度，绘制结果分别表示在图8中的(d)和(e)中。与本发明系统获得的图8中(d)中～55％的对比度相比，使用商用共聚焦显微镜获得的强度分布对比度(～16％)明显较低。

通过对比本发明所设置的系统与商用共聚焦显微镜的三维成像结果(图9展示了FIB制备的样品A和样品B的图像)，展示了本发明具有更高分辨率且更快速的成像性能。

为了进一步测试本发明系统的成像性能，使用聚焦离子束(FIB)系统(TESCAN)制作了A和B两种不同类型特征的定制纳米样品。本发明系统采用50x物镜(NA0.55)在470nmLED光源下进行光学成像，与使用商用共聚焦显微镜使用高NA(0.95)150x物镜，照明源为405nm激光二极管获得的结果进行了比较。

样品A是一组10个条纹纳米结构，每个纳米结构宽为100nm，蚀刻深度为1.3μm至2.2μm，如图9左上角的图像所示。可用于表征本发明设置的成像模式的轴向分辨率。从图9的上排的中间图像可以看出，本发明通过具有微球纳米成像增强系统从垂直扫描的一组堆叠图像中渲染的图像，能够识别出这10个条纹纳米结构。对比右上角采用商用共聚焦显微镜所拍摄的图，并不能清楚地显示这10个结构。同时，本发明设置的总扫描速度(138秒)比商用共聚焦显微镜(365秒)快得多。

需要强调的是，在本发明中，整个扫描过程所花费的总时间在很大程度上受到阶段运动速度的限制，并且在每个阶段运动之后保留1秒的间隔时间，以便图像从振动中稳定下来。在微球视场内拍摄一张图像的实际时间仅为1秒左右，而商用共聚焦显微镜在其最大相机分辨率下所需的时间为32秒。

图9中的样品B包含一组微米级圆形凹槽，每个微米级圆形凹槽都包含一个尺寸＜100nm的中心纳米点。图9的下一排中间3D图像是通过20步扫描绘制的具有0.8μm高度的结构。其中，获取20张图像的总时间约为40秒，在渲染图像中可以清晰地看到中心的纳米点。作为对比参考，右侧展示了使用商用共聚焦显微镜获得的扫描图像，总扫描时间为378秒。插图对白色矩形区域进一步放大，仍未能清晰观察到中心的纳米点。

上述成像结果表明，本发明提出的方法纳米成像能力远远超出了原始系统的限制。随着目前共聚焦显微镜市场的成熟和应用范围的扩大，本发明方法可以成为一种在更高的扫描速度下提供更好的成像性能的桌面系统，能够通过光学手段在纳米世界中采用无损伤的方式看到更小的物体和特征。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种纳米成像增强系统，包括光学成像组件，所述光学成像组件设置有照明光路和成像光路，其特征在于：还包括微球、夹具组件和图像检测装置，所述微球位于所述照明光路和所述成像光路上以实现对样品进行纳米成像；所述夹具组件与所述微球相连且可沿三轴移动使得所述微球定位于靠近但不与所述样品表面接触的位置；所述图像检测装置位于所述成像光路中以探测经所述成像光路增强后的所述纳米成像图像。

2.如权利要求1所述的一种纳米成像增强系统，其特征在于：所述光学成像组件包括有依次排列的光源、第一针孔、透镜、分光镜、扫描镜组和物镜，所述微球位于所述物镜和所述样品之间，所述第一针孔且位于所述光源和所述透镜之间的焦平面处以过滤散焦光；所述照明光路中，所述光源经所述透镜准直后射入所述分光镜，所述分光镜将光束反射进入扫描镜组，再经物镜聚焦至所述微球，所述微球再将光束聚焦至所述样品表面。

3.如权利要求2所述的一种纳米成像增强系统，其特征在于：所述光学成像组件还包括有第二针孔和管状透镜，所述管状透镜位于所述分光镜和所述图像检测装置之间，所述第二针孔位于所述管状透镜和所述图像检测装置之间的焦平面处以过滤散焦光；在所述成像光路中，所述微球的成像平面的反射光依次进入所述物镜和所述扫描镜组，所述扫描镜组快速扫描所述成像平面上的聚焦光束以生成所述样品的增强图像；所述增强图像依次经所述分光镜和所述管状透镜聚焦至所述图像检测装置。

4.如权利要求1所述的一种纳米成像增强系统，其特征在于：微球为电介质微球或聚合物微球；所述微球的直径位于4μm至20μm之间。

5.如权利要求1所述的一种纳米成像增强系统，其特征在于：所述夹具组件包括座体、夹臂和三轴运动模块，所述三轴运动模块安装于所述座体上且连接驱动所述夹臂沿三轴移动；所述夹臂上设有狭槽以夹持所述微球。

6.如权利要求5所述的一种纳米成像增强系统，其特征在于：所述夹臂包括第一主体部和第二主体部，所述第一主体部和所述第二主体部局部相连并设有所述狭槽，所述狭槽沿第一轴线延伸并设有第一耦接面和第二耦接面以夹持所述微球。

7.如权利要求5所述的一种纳米成像增强系统，其特征在于：所述微球被夹持于所述狭槽时，所述第一耦接面或所述第二耦接面与所述第一轴线之间的夹角大于所述光学成像组件的物镜的数值孔径对应的角度。

8.如权利要求1所述的一种纳米成像增强系统，其特征在于：所述微球与所述样品表面的距离为小于等于5μm。

9.如权利要求1所述的一种纳米成像增强系统，其特征在于：还包括有三轴样品台，所述样品和所述夹具组件位于所述三轴样品台上。

10.一种纳米成像增强方法，其特征在于：在光学成像组件的照明光路和所述成像光路上设置微球实现对样品进行纳米成像；采用夹具组件夹持并带动所述微球沿三轴移动使得所述微球定位于靠近但不与所述样品表面接触的位置；在所述成像光路中探测经所述成像光路增强后的纳米成像图像。