CN217639725U - 基于超表面的暗场显微系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于超表面的暗场显微系统。该系统包括超透镜、光阑及物镜；超透镜包括基底和基底表面的结构单元，结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；其中，基于结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，超透镜配置为：将来自光源的光线调制为照射至待测样本的照明光，并且，照明光能够使待测样本产生衍射光；光阑用于阻挡照明光进入物镜，并且衍射光能够通过光阑并进入物镜，以使物镜能基于衍射光对待测样本成像。该系统借助超透镜形成照明光，照亮待测样本，并且配合光阑阻挡，实现样本产生的衍射光进入物镜并实现成像，能够使成像背景呈黑色，使得样本较暗的细节变得明显，提升了对比度。

Description

基于超表面的暗场显微系统

技术领域

本公开涉及显微设备的技术领域，具体地，本公开涉及一种基于超表面的暗场显微系统。

背景技术

暗场显微成像技术是一种标准的成像技术，主要应用在包括生物学在内的许多方面。顾名思义，“暗场”是指除去被测物体以外的其他背景，将其表现为纯黑色，这样在待测物与背景之间的过度部分就会更加明显，因此可以提高待测目标和背景之间的对比度，对于一些未进行标记的物体实现更好的细节分辨能力。

现有技术中，通过暗场成像技术可以进行细胞、生物组织、细菌等分析，但是往往需要配合着专门的暗场显微镜系统，以及产生暗场光源的系统，配合使用的暗场物镜和冷凝器等，实际系统需要很大且笨重，成本和装调难度也非常大，因此限制了实际的使用。

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述缺陷，本申请实施例提供了一种基于超表面的暗场显微系统，这种系统包括暗场光源系统、光阑及物镜；

所述暗场光源系统包括光源和超透镜，所述超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

其中，基于结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，所述超透镜配置为：将来自光源的光线调制为照射至待测样本的照明光，并且，所述照明光能够使待测样本产生衍射光；以及

其中，所述光阑用于阻挡所述照明光进入所述物镜，并且所述衍射光至少部分能够通过光阑并进入所述物镜，以使所述物镜能基于所述衍射光对待测样本成像。

可选地，所述光源、超透镜、光阑及物镜同光轴设置，并且所述照明光能够倾斜于光轴地照射待测样本。

可选地，所述超透镜能够调制出环形光束形式的照明光，并且所述环形光束的几何轴线与所述光轴重合。

可选地，所述环形光束为发散的，并且所述环形光束内边界的夹角大于所述光阑的孔径角。

可选地，所述超透镜能够在出射面形成照明场和暗场，所述暗场为与超透镜的光轴同轴并且顶点朝向光源的圆锥体；以及

所述光阑的通光孔位于所述暗场内，所述待测样本至少部分位于所述照明场。

可选地，所述环形光束为会聚的，所述待测样本能够设置于会聚焦点处，并且其会聚角大于所述光阑的孔径角。

可选地，所述超透镜包括准直超透镜和聚焦超透镜；所述准直超透镜和聚焦超透镜之间设置有中心光阑。

可选地，所述准直超透镜和聚焦超透镜构成于同一个基底的两个相对表面，并且所述基底内部嵌有挡光层。

可选地，所述暗场光源系统集成设置于待测样本的载体。

可选地，还包括图像传感器，设置于所述物镜的成像面，能够基于所述衍射光的成像，获取待测样本的暗场图像信息。

可选地，所述图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

可选地，所述暗场光源系统还包括设置在超透镜基底的近光源侧的光致发光材料层，并且所述结构单元和纳米结构设置于基底远离光源侧。

可选地，所述光源是点光源，能够提供球面光；其中，所述点光源设置于所述光轴所在直线上。

可选地，所述结构单元的形状选自正方形、正六边形或扇形。

本申请实施例中的技术方案，至少能够实现如下有益效果：

通过超透镜形成照明光，照亮待测样本，由于待测样本本身的尺寸很小，大部分照明光的传播方向不发生改变，并被光阑阻挡，而样本产生的衍射光，其传播方向发生改变，得以进入光阑孔中，进而进入物镜并实现成像。由于大部分照明光不进入物镜中，能够使成像背景呈黑色，使得样本较暗的细节变得明显，提升了对比度。同时，使用上述超表面代替了传统的暗场光源产生装置，实现了暗场显微镜系统的小型化、轻量化，降低成本。

在进一步的实施方式中，将照明光整形为环形光束，以相对较大的入射角通过样本，利用与样本发生的衍射光进行成像，更进一步地使样本较暗的细节变得明显，提升了对比度。

在进一步的实施方式中，利用超透镜将产生暗场光源的系统直接集成在承托待测样本的基底上，进一步地小型化、简单化整个显微系统。

附图说明

所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。

图1为本申请实施例提供的暗场成像系统的结构图和光路图；

图2为实施例中应用于暗场成像系统的超透镜对照明光的调制示意图；

图3为应用环形聚焦光束的实施例的结构图及光路图；

图4为另一种应用环形聚焦光束的实施例的结构图及光路图，还包括其中超透镜部分的局部放大图；

图5为超透镜中纳米结构组成的结构单元的形状示意图；

图6为超透镜中纳米结构的两种示例。

图中附图标记分别表示：

1超透镜；2光阑；3物镜；4图像传感器；5中心光阑

11准直超透镜；12聚焦超透镜；

110用于准直的纳米结构；120用于聚焦的纳米结构；130嵌入挡光层；

01待测样本放置位置；02照明光边界；03衍射光成像光路；04聚焦环形光束。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

本申请中公开的暗场显微成像技术，为了实现“暗场”效果，即除去被测物体以外的其他背景，将其表现为纯黑色，采用的手段主要包括在照明光通过样本后的路径上放置光阑，只使部分小角度的衍射光可以通过光阑孔径进行成像，大部分的光被拦住，无法成像，虽然携带样品细节的信息被滤掉了一部分，但是整体的对比度获得了提升，实现了所需的“暗场”技术效果。

有鉴于此，本申请提供一种基于超表面的暗场显微系统，这种系统包括超透镜、光阑及物镜，应理解的是，系统内部可内置有光源或者采用系统外的光源。

超透镜包括基底和基底表面的结构单元，结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；基于结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，超透镜配置为：将来自光源的光线调制为照射至待测样本的照明光，并且，照明光能够于待测样本产生衍射光；

系统中的光阑用于阻挡照明光进入物镜，并且衍射光能够通过光阑并进入物镜，以使物镜能基于衍射光对待测样本成像。

可见，通过上述技术方案，可以使照明光以相对较大的入射角通过样本，利用与样本发生的衍射光进行成像，可以使明亮的背景变为黑色，使得样本较暗的细节变得明显，提升了对比度。

解释性的，本申请实施例及各可选实施例中，所描述的各种超透镜包括如下特征：

超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

结构单元为可密堆积图形，结构单元可以是为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图5所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图5左部分示出了一个结构单元的实施例，其包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图5中间部分示出了另一个结构单元的实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。

结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图5右部分示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图5右中的左下角区域。在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构。

纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。纳米结构的形式如图6所示。

各纳米结构之间可以填充空气或者在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本公开的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于等于0.5。

有鉴于上述，在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。应理解，图1至图4中使用虚线表示光路/光照范围的边界。

如下提供一种作用于上述暗场显微系统中的超透镜的实施例。

如图2所示，该实施例中的超透镜1基于其上结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，配置为：形成发散的环形照明光，具体的，参考图中照明光边界02，只有图中θ_r范围内的存在照明光的出射，而在2θ范围内均无光线射出，因此能够实现低角度照明。该超透镜1是实现暗场显微成像系统小型化的基础，可以与小型简单紧凑的显微镜配合使用。

在优选实施例中，超透镜能够提供环形光束形式的照明光，并且环形光束的几何轴线能够与其他组成系统的光学器件的光轴重合。

对于本实施例中的超透镜1的具体形成方式，说明如下：

确定系统的光学参数后，利用超表面对光场的调制，假设超表面不同的结构单元给予入射光一个

的空间相位分布，入射光束与超表面的相互作用满足广义斯涅耳定律：

根据上式，Eq-1和Eq-2为广义反射定律，Eq-3和Eq-4为广义折射定律。入射角为θi，折射角为θt，反射角为θr。ni和nt分别是入射光和折射光所在介质的折射率，

和

分别是反射和折射光波矢在与入射平面相垂直的平面投影。

根据相关参数确定视野范围，即可以确定具体的入射角和折射角，代入上述公式可以确定具体的超表面相位分布

；在纳米结构数据库中直接寻找满足相位分布的纳米结构。

如下提供一种采用了上述超透镜的暗场光源系统的实施例

实施例中的暗场光源系统用于提供大角度射入待测样本的照明光。除了上述超透镜之外，还包括光源。

在优选实施例中，包括产生球面光的点光源，以及优选地，还可以包括光致发光材料层，设置在超透镜基底的近光源侧，并且所述结构单元和纳米结构设置于基底远离光源侧。

在一个典型实施例中，从空间上看，暗场光源系统能够形成照明场和暗场，所述暗场为与超透镜的光轴同轴并且顶点朝向光源的圆锥体；以及配合地，所述光阑的通光孔位于所述暗场内，所述待测样本至少部分位于所述照明场。

在优选实施例中，所述暗场光源系统集成设置于待测样本的载体。

如下提供一种采用发散环形光束的暗场显微系统的实施例。

本实施例为前一实施例中超透镜的具体应用之一，所述超透镜旨在提供照明光，而在暗场成像部分可使用相机来对衍射的光线进行捕捉，最后成像到图像传感器(可以是CCD或CMOS)上，将光信号变为电信号，获得暗场显微图像。

如图1所示，系统包括超透镜1、光阑2及物镜3；其中的超透镜1在前一实施例中已有说明，在此不再赘述。

系统中可以包括光源，也可以接收系统外光源提供的光线，以图中方向作为参考，光源设置于超透镜1上方(图中未示出)。

光阑2，可选孔径光阑，用于阻挡所述照明光(其范围参考图中照明光边界02)进入物镜3，并且所述衍射光能够通过光阑2并进入所述物镜3，以使所述物镜3能基于所述衍射光对待测样本成像。参考图1中衍射光成像光路03。同时应理解的是，待测样本放置位置01需要在能被照明光部分或全部照射的位置。

在优选实施例中，物镜3也可以使用超表面光学器件构成。

在优选实施例中，待测样本放置位置01的实现方式，可以是将待测样本直接放置在超透镜1上，也可以在图中所示位置设置载物台。应理解，当需要把待测样本直接放置在超透镜1上时，超透镜1的纳米结构侧需设置保护层。

实施例中的光阑2为孔径光阑，但本申请不限于此，也可以是任何固定或可调节的在光学系统中对光束起着限制作用的实体。

在优选实施例中，超透镜1、光阑2及物镜3同光轴设置，并且所述照明光倾斜于光轴，以相对较大的入射角通过样本，利用与样本发生的衍射光进行成像，可以使明亮的背景变为黑色。

如图1所示，超透镜1提供的照明光，其发散角(参考照明光边界02的夹角)大于所述光阑2的孔径角(参考衍射光成像光路03上半部分的夹角)。应理解，若不符合上述角度要求，照明光会从光阑孔中穿过并参与成像，不能实现系统“只有衍射光成像”的技术要求，进一步地，无法实现暗场的技术效果。

图1中示出的是光路平面示意图，从立体空间的角度解释，不难理解超透镜1能够在出射面形成照明场和暗场，所述暗场为与超透镜1的光轴同轴并且顶点朝向光源的圆锥体，该圆锥体的截面轮廓可由图1中的照明光边界02表示；所述光阑2的通光孔位于所述暗场内，所述待测样本放置位置01至少部分位于所述照明场内。

如下提供一种采用聚焦环形光束的暗场显微系统的实施例。

本实施例中，如图3所示，参考图中的聚焦环形光束04，超透镜提供的环形光束为会聚的，基于与前述相同的原理，会聚的光线大角度交错照射于样本，由于待测样本本身的尺寸很小，大部分照明光的传播方向不发生改变，穿过焦平面继续向前，而少部分照明光由于打在了待测样本表面，发生了衍射，其传播方向发生改变。在待测样本后面的传播路径上放置有一个光阑2。没有打在样本表面的光向前传播时由于存在较大角度，因此被光阑2所截断，无法继续向前传播。与样本发生衍射的角度较大的光也无法通过，只有部分衍射后角度较小的光可以通过孔径继续向前传播，进入到后面的物镜3，然后进入图像传感器中实现成像4。

待测样本放置位置01在会聚焦点处，并且其照明光的会聚角大于光阑2的孔径角。

如图3所示，本实施例中的超透镜更进一步地包括准直超透镜11和聚焦超透镜12；准直超透镜11和聚焦超透镜12之间设置有中心光阑5，用于阻挡中间的光线以形成环形光束。

示例性的，所述的准直超透镜11或者聚焦超透镜12的相位可以满足如下公式之一：

其中，r为所述超透镜中心到任一所述纳米结构中心的距离；λ为工作波长，

为任意与所述工作波长相关的相位，x,y为超透镜镜面坐标，f为所述超透镜的焦距。

如下提供另一种采用聚焦环形光束的暗场显微系统的实施例。

本实施例与前一实施例较为类似，区别在于将准直超透镜11和聚焦超透镜12进行了集成，同时进一步地集成了中心光阑。

如图4所示出的，在同一基底的正反两面分别设置用于准直的纳米结构110和用于聚焦的纳米结构120。其中，用于准直的纳米结构110设置在基底的光路上游侧，而用于聚焦的纳米结构120设置在另一侧。

进一步地，基地内部设置嵌入挡光层130，用于阻挡光线，形成环形光束。

在上述任一实施例的优选实施方式中，超透镜能够直接放置待测样本。

在上述任一实施例的优选实施方式中，图像传感器设置于所述物镜的成像面，能够基于所述衍射光的成像，获取待测样本的暗场图像信息。进一步地，图像传感器可选为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

在上述任一实施例的优选实施方式中，还包括点光源，能够提供球面光；优选地，所述点光源设置于所述光轴所在直线上。

在上述任一实施例的优选实施方式中，超透镜基底，优选为最接近光源的超透镜基底，其近光源侧设置有光致发光材料层，并且所述结构单元和纳米结构设置于基底远离光源侧。这里的光致发光材料层可选且不限于是荧光粉材料、长余辉发光材料等。

上述的各实施例中，均通过超透镜形成照明光，照亮待测样本，由于待测样本本身的尺寸很小，大部分照明光的传播方向不发生改变，并被光阑阻挡，而样本产生的衍射光，其传播方向发生改变，得以进入光阑孔中，进而进入物镜并实现成像。由于大部分照明光不进入物镜中，能够使成像背景呈黑色，使得样本较暗的细节变得明显，提升了对比度。同时，使用上述超表面代替了传统的暗场光源产生装置，实现了暗场显微镜系统的小型化、轻量化，降低成本。

另需注意的是，本申请实施例提供的超透镜均可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、构及工艺简单、成本低及量产一致性高等优点。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种基于超表面的暗场显微系统，其特征在于，包括暗场光源系统、光阑及物镜；

所述暗场光源系统包括光源和超透镜，所述超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

其中，基于结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，所述超透镜配置为：将来自光源的光线调制为照射至待测样本的照明光，并且，所述照明光能够使待测样本产生衍射光；以及

其中，所述光阑用于阻挡所述照明光进入所述物镜，并且所述衍射光至少部分能够通过光阑并进入所述物镜，以使所述物镜能基于所述衍射光对待测样本成像。

2.根据权利要求1所述的暗场显微系统，其特征在于，所述光源、超透镜、光阑及物镜同光轴设置，并且所述照明光能够倾斜于光轴地照射待测样本。

3.根据权利要求2所述的暗场显微系统，其特征在于，所述超透镜能够调制出环形光束形式的照明光，并且所述环形光束的几何轴线与所述光轴重合。

4.根据权利要求3所述的暗场显微系统，其特征在于，所述环形光束为发散的，并且所述环形光束内边界的夹角大于所述光阑的孔径角。

5.根据权利要求4所述的暗场显微系统，其特征在于，所述超透镜能够在出射面形成照明场和暗场，所述暗场为与超透镜的光轴同轴并且顶点朝向光源的圆锥体；以及

所述光阑的通光孔位于所述暗场内，所述待测样本至少部分位于所述照明场。

6.根据权利要求3所述的暗场显微系统，其特征在于，所述环形光束为会聚的，所述待测样本能够设置于会聚焦点处，并且其会聚角大于所述光阑的孔径角。

7.根据权利要求6所述的暗场显微系统，其特征在于，所述超透镜包括准直超透镜和聚焦超透镜；所述准直超透镜和聚焦超透镜之间设置有中心光阑。

8.根据权利要求7所述的暗场显微系统，其特征在于，所述准直超透镜和聚焦超透镜构成于同一个基底的两个相对表面，并且所述基底内部嵌有挡光层。

9.根据权利要求1至5任一项所述的暗场显微系统，其特征在于，所述暗场光源系统集成设置于待测样本的载体。

10.根据权利要求1至8任一项所述的暗场显微系统，其特征在于，还包括图像传感器，设置于所述物镜的成像面，能够基于所述衍射光的成像，获取待测样本的暗场图像信息。

11.根据权利要求10所述的暗场显微系统，其特征在于，所述图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

12.根据权利要求1至8任一项所述的暗场显微系统，其特征在于，所述暗场光源系统还包括设置在超透镜基底的近光源侧的光致发光材料层，并且所述结构单元和纳米结构设置于基底远离光源侧。

13.根据权利要求2至8任一项所述的暗场显微系统，其特征在于，所述光源是点光源，能够提供球面光；其中，所述点光源设置于所述光轴所在直线上。

14.根据权利要求1至8任一项所述的暗场显微系统，其特征在于，所述结构单元的形状选自正方形、正六边形或扇形。

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