一種基于SiO2介質微球的超分辨成像方法與流程

本發明屬于光學成像的技術領域，具體涉及一種基于sio2介質微球的超分辨成像方法。

背景技術：

現有光學方法受限于光波衍射效應，在可見光波段，光學顯微鏡的極限分辨率約為200nm。而該成像分辨率已經不能滿足人們對微觀世界進行探索的需求。如在生物學領域中，對細胞分裂、遷移、傷口愈合以及免疫系統響應等生物行為，受到分辨率的限制，人們一直對細胞膜在其中發揮的作用幾乎一無所知。此外，在納光子學領域中，生物芯片、通信芯片、傳感芯片和存儲芯片等也都對納米光學和光子學器件提出了高集成和高分辨的要求。本方法提出的一種基于sio2介質微球的超分辨成像方法，將有利于推動我國的微納器件檢測學，生物學、光學等學科的發展

近年來，國內外科研人員紛紛投入到光學超分辨成像研究領域中，并且出現了多種具有代表性的方法。比如，在2014年，德國科學家stephanw.和美國科學家williame.提出的受激發射損耗顯微技術(sted)，先利用一束激發光聚焦成正常的衍射受限焦斑，使焦斑內的熒光分子處于激發態，再利用另一束為中心光強為零的環形分布的損耗光照明處于激發態的熒光分子，兩束光疊加后，使得周邊區域內的熒光分子被淬滅，從而獲得一個小于衍射極限的熒光發光點，實現對樣品的高分辨成像。然而該技術需要對樣品進行染色且是基于逐點掃描方式獲取寬視場像，對系統和定位要求都很高，在一定程度上限制了他們的使用。

英國科學pendy在2000年首先提出了超透鏡概念，理論分析了攜帶高頻信息的倏逝波在厚度為40nm的銀膜超透鏡中傳播顯著加強，在可見光波段中就能實現間隔為80nm的物點。進而在2007年，張翔小組提出了由銀膜和亞波長光柵組成的遠場超透鏡，利用銀膜來增強倏逝波，再結合亞波長光柵將倏逝波轉換成遠場可以傳播的傳播波，分別獲取物體的低頻信息和高頻信息，再通過數據處理重新組合物體的高頻和低頻信息，獲取了約三分之一波長的遠場分辨率。然而該方法受限于人工材料本身，也就限制了光束在其中傳播的距離，導致成像對比度和放大倍率受限。

在國內，原理上大多沿用了國外技術思路，通過不同材料不同算法來不斷提高成像質量和系統穩定性。但無論是國內還是國外，目前的光學超分辨顯微技術大多過程復雜，時間耗費長。提出一種系統結構簡單，適應性強的超分辨成像方法仍然是目前急需解決的難題。

技術實現要素：

為了解決上述難題，本發明設計了所述的一種基于sio2介質微球的超分辨成像方法，可以實現低于200nm的超分辨二維成像。

本發明采用的技術方案為：一種基于sio2介質微球的超分辨成像方法，利用可見光寬光譜照明，通過勻膠機旋轉將sio2介質微球放置于待測結構表面，在常規成像顯微鏡下觀察特征尺寸低于半波長的結構細節；通過優化介質微球的浸沒方式，顯微鏡的成像模式和物鏡與待測物間距離等參數，不斷增強顯微成像質量，最終突破衍射極限，實現超分辨成像；利用時域有限差分法，借助仿真軟件cst模擬分析介質微球聚焦特性，通過olympus金相顯微成像實驗觀察139nm結構細節，從而驗證本方法超分辨成像的可行性。

其中，利用可見光寬光譜照明，通過勻膠機旋轉將sio2介質微球放置于待測結構表面，在常規成像顯微鏡下觀察特征尺寸低于半波長的結構細節。

其中，通過優化介質微球的浸沒方式，顯微鏡的成像模式和物鏡與待測物間距離等參數，不斷增強顯微成像質量，最終突破衍射極限，實現超分辨成像。

其中，利用時域有限差分法,借助仿真軟件cst模擬分析介質微球聚焦特性，通過olympus金相顯微成像實驗觀察139nm結構細節，從而驗證本方法超分辨成像的可行性。

其中，在傳統顯微鏡下即可實現超分辨成像，在不改變成像系統結構的基礎下，在待測物體表面放置sio2介質微球，通過調節微球浸沒方式，顯微成像模式等條件便能達到較高超分辨成像質量。但由于微球尺寸的限制，導致成像視場受限，當需要大視場超分辨成像時，還需要后期圖像拼接。

其中，通過可見光寬光譜波段照明，本方法能夠達到特征尺寸為139nm的結構細節成像，實現了低于半波長的超分辨成像。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)、本發明通過將sio2介質微球放置于待測物表面，通過傳統光學顯微鏡系統即可實現超分辨成像，該測量系統結構相對簡單，具有很強的實用性；

(2)、本發明中，在可見寬光譜波段能突破衍射極限，不需系統標定即可實現低于200nm的超分辨成像，具有較強的環境適應性。

附圖說明

圖1為本發明一種基于sio2介質微球的超分辨成像方法利用的系統結構圖，其中，1為待測物體結構，2為sio2介質微球，3為顯微成像物鏡，4為分光鏡，5為圖像采集系統，6為鏡頭透鏡，7為白光光源；；

圖2為通過時域有限差分法,借助仿真軟件cst模擬分析介質微球聚焦特性及半高寬數據，其中，入射平面波波長600nm，sio2直徑為5μm，微球為非浸沒模式。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明具體實施方式進行詳細說明。

本發明基于sio2介質微球的超分辨成像方法，通過勻膠機旋轉將直徑為5μm的sio2介質微球均勻放置于待測結構表面，然后將待測物結構放到光學顯微成像系統中。

首先采用中心波長為600nm，帶寬150nm左右的白光照明光源，通過鏡頭透鏡入射至分光鏡，進而到達待測物體表面。然后，將物體結構信息反射于微球中，通過光學成像系統，最終成像到圖像采集系統，如圖1所示。

在時域有限差分法的數值分析基礎上，借助仿真軟件cst模擬分析介質微球聚焦特性，其中，入射平面波波長600nm，sio2直徑為5μm，微球為非浸沒模式。得到如圖2所示的光強分布曲線，可以看到其聚焦半高寬小于200nm，說明介質微球具備超分辨成像的能力。

其中，通過優化介質微球的浸沒方式，顯微鏡的成像模式和物鏡與待測物間距離等參數，都有助于不斷增強顯微成像質量，更好地體現物體細節信息。

基于sio2介質微球的超分辨成像方法,一方面能實現系統結構簡單，實用性強,另一方面能在可見寬光譜波段實現低于200nm的超分辨成像，不需系統標定，具有較強的環境適應性。

當然，在本例中，由于微球尺寸的限制，導致成像視場受限，當需要大視場超分辨成像時，還需要后期圖像拼接。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種基于SiO2介質微球的超分辨成像方法，利用可見光寬光譜照明，通過勻膠機旋轉將SiO2介質微球放置于待測結構表面，在常規成像顯微鏡下觀察特征尺寸低于半波長的結構細節。通過改變介質微球的浸沒方式，轉換顯微鏡的成像模式和調節物鏡與待測物間距離，不斷增強成像對比度，最終突破衍射極限，實現超分辨成像。本方法首先通過時域有限差分法，借助仿真軟件CST模擬分析介質微球聚焦特性，進而通過Olympus金相顯微成像實驗，利用CCD(Charge?Coupled?Device)采集獲取成像結果，從而驗證其可行性。本方法能在較為簡單的光學系統下實現超分辨成像，具有很強的實用性。

技術研發人員：周毅;唐燕;陳楚怡;鄧欽元;謝仲業;田鵬;李凡星;胡松;趙立新
受保護的技術使用者：中國科學院光電技術研究所
技術研發日：2017.07.11
技術公布日：2017.10.03