[发明专利]基于微结构的移频超分辨显微成像方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于微观观测测量领域，具体涉及一种基于微结构的移频超分辨显微成像方法和装置。

背景技术

纳米技术与生物技术是21世纪发展最迅速和热门的科学领域。纳米技术应用广泛，包括1～100nm尺度内的成像、测量、加工、操纵等。许多重要的生物体比如葡萄糖、抗体、病毒等都处于这个尺度范围内，研究这些微小物体的需求推动了高分辨率显微成像技术的发展。反过来，超分辨显微术的发展也推动了整个生命科学的进步。相比其他的显微技术，光学显微技术的一大优势是可以对处于自然状态的活细胞进行研究。

自世界上第一台光学显微镜问世以来，提高光学显微成像系统的分辨能力及测量范围一直是众多科学家致力研究的重要科学问题，特别是近年来，随着物理学、生物医学、微电子学和材料学等学科的迅速发展，对这一问题的研究变得尤为迫切，主要体现在：物理学的发展要求人们能观测到微观世界中原子的大小；分子生物学的发展要求人们能观测到活体细胞这种高散射物质内小到纳米尺度的单分子；微电子技术的发展要求人们能检测到超大规模集成电路中窄到数十纳米的线宽尺寸；纳米新材料的出现要求人们能观测到纳米尺度大小的纳米颗粒等，这些现代科学的新进展，更加促使人们不断地去探索高分辨显微成像的新方法和新技术。

由于衍射极限的存在，传统的宽场光学显微镜横向和纵向的分辨率分别仅约为230nm和1000nm。二十世纪三十年代发展起来的电子显微成像技术及八十年代初崛起的各类非光学的探针扫描显微成像技术具有纳米甚至更高的分辨能力，但它们在不同程度上存在着系统结构复杂、成像检测环境要求苛刻及样品处理繁琐等困难，特别是不能获得样品重要的光学信息（如反射率、折射率、偏振态及光谱等信息），因而无法完全取代光学显微成像的地位。

随着现代激光技术、计算机技术、精密机械及电子技术的迅猛发展，超分辨的光学显微成像技术（Super-resolution Optical Microscopy,SROM）应运而生。根据原理不同，现有技术可以分为两大类：一类是以固体浸没透镜（Solid Immersion Lens，SIL）技术为代表的近场显微技术；另一类则是以激发抵制损耗显微镜（Stimulated Emission Depletion，STED）为代表的荧光显微技术。然后，两种现有技术都存在着一定的缺陷：前者虽然使用宽场照明，但很难将其分辨率压缩在100nm以下；后者则是基于荧光显微技术，无法使用于非荧光样品上，因此使用范围受到限制。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明基于微结构对于光场波矢的调制作用，提供了一种实现远场超分辨的方法，通过移频算法实现了超分辨显微图像获取。

一种基于微结构的移频超分辨显微成像方法，包括以下几个步骤：

1）将入射照明光垂直照射在微结构上产生表面波；

2）使用表面波对样品表面进行照明，并通过显微镜从远场接收强度图像；

3）对所述的强度图像进行傅里叶变换得到相应频谱，使用移频算法对所得到的频谱进行还原，并得到相应的频谱还原图像；

4）改变表面波导入样品的方向，直至覆盖0～360°，每次均重复步骤2）和步骤3），得到不同方向下的频谱还原图像；

5）对不同方向下的频谱还原图像进行叠加，得到完整的高频频谱图像；

6）对所述的完整高频频谱图像进行傅里叶反变换，得到观察样品的超分辨显微图像。

所述的入射照明光为具有相同偏振方向、且波长在380～780nm范围内的可见单色线偏振光。

所述的微结构是指具有亚波长空间周期的微结构阵列，如光栅，或点阵等具有多方向频率覆盖的二维图形微结构等，优选为光栅。周期性分布的结构的微结构可以使表面波的特定传导模式可以被选择性增强，从而使得产生的表面波具有限定的传输方向和光波矢大小。

在步骤4）中，表面波导入样品的方向改变次数由下式决定：

NUM=π/arcsin(k_m/k_s)

式中：k_m为显微镜最大截止频率，k_s为表面波横向光波矢。

本发明的工作原理是：

当准直后的单色光垂直照射在微结构上时，通过光栅衍射、散射等机制可以在微结构表面及其周围区域形成表面波。当微结构具有周期性分布的结构时，可以使表面波的特定传导模式可以被选择性增强，从而使得产生的表面波具有限定的传输方向和光波矢大小。表面波的横向光波矢可以由如下公式表示：

k_s=2Nπ/Λ