[发明专利]基于微纳米透镜阵列的高速光学超分辨率成像系统和方法

说明书

本发明涉及基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统,包括光学显微镜、精密运动平台、微纳米透镜阵列和两个纳米微球。所述精密运动平台位于所述光学显微镜的粗调平台上，所述精密运动平台上设有样品台，样品置于所述样品台上方；所述微纳米透镜阵列倒置于所述样品和所述光学显微镜的物镜之间；所述两个纳米微球分别位于所述样品上表面和所述微纳米透镜阵列下表面。方法包括：纳米微球的光学图像用于实时测量样品与透镜阵列的相对位置并实时反馈；光学显微镜获取到微纳米透镜阵列成像后发送至计算机处理及显示。本发明能实现超分辨率光学成像，并解决透镜阵列与样品的相对位置测量问题，同时能实现大范围扫描成像，显著提高成像效率。

技术领域

本发明涉及一种基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统和方法，具体说是利用纳米微球的光学图像实现样品与透镜之间的位置反馈，利用微纳米透镜阵列实现高效率的超分辨率光学成像。主要用于微纳科技、生物医学研究领域。

背景技术

随着微纳米科学与生物医学研究领域向更加微观层次的发展，人们对高分辨率的显微成像技术的要求也变得越来越高。目前的高分辨率成像方法主要包括电子显微成像，扫描隧道显微成像，原子力显微以及近年来获得广泛关注的超分辨率光学显微成像技术。其中，SEM和STM需要先对样品进行切片、脱水镀金等复杂操作，且测试环境较为苛刻(真空和低温)。AFM通过探针间接对样品形貌进行观测，易引入图像形貌误差和测量假象且成像速率低，对于被测目标(如活体细胞)动态过程的捕捉能力差。

近年来发展起来的超分辨率光学显微成像技术包括基于分子激发的荧光显微镜法、等离子体激发法、近场扫描显微镜法以及微纳米透镜显微成像法。其中，基于分子激发的荧光显微镜法和等离子体激发法都需要高强度的激发光照射样品，不利于针对活体细胞的成像。近场扫描显微镜法利用微纳光纤探针在近场范围内进行逐点扫描成像效率低、成像所需时间长且光纤探针易损坏的问题限制了其使用广度。目前基于微纳米透镜的光学成像显微镜采用的是在原子力显微镜探针粘一个微球，利用微球作为微纳米透镜进行扫描式成像，但此方法成像效率低，且需要结合原子力显微镜的核心系统，原子力显微镜设备昂贵，结构复杂，不利于其广泛应用。

基于微纳米透镜阵列，结合视觉传感的微球定位技术，只需使用普通的光学显微镜、精密运动平台、高速相机等常用设备可实现高速超分辨率光学成像。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统和方法，从而实现高速的超分辨率光学成像；同时基于视觉传感解决微纳米透镜与待测样品之间的位置反馈问题。

为实现上述目的，本发明包括：基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统，其特征在于：包括光学显微镜、精密运动平台、微纳米透镜阵列和两个纳米微球。所述精密运动平台位于所述光学显微镜的粗调平台上，所述精密运动平台上设有样品台，样品置于所述样品台上方；所述微纳米透镜阵列倒置于所述样品和所述光学显微镜的物镜之间；所述两个纳米微球分别位于所述样品上表面和所述微纳米透镜阵列下表面。

所述光学显微镜为反射式正置光学显微镜,在所述光学显微镜中，物镜上方装有单轴精密运动单元，通过螺纹紧固连接；所述单轴精密运动单元固定在透镜阵列安装架上，通过螺纹紧固连接；所述透镜阵列安装架固定在显微镜镜架上，通过螺纹紧固连接。

所述微纳米透镜阵列倒置粘贴在所述透镜阵列安装架底端，通过双面胶带进行紧固。所述微纳米透镜阵列的透镜底端与所述样品之间的距离可通过所述粗调平台和所述精密运动平台进行控制，可控制在 0到几微米之间。

所述粗调平台和所述精密运动平台各具有3个自由度。

基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像方法，其特征在于包括以下步骤：

人工调整所述粗调平台，使所述显微镜视场内能同时出现所述两个纳米微球的离焦图像；