[发明专利]集成光波导超分辨显微成像系统

说明书

本发明公开一种集成光波导超分辨显微成像系统，包括：集成波导衬底，中部为放置微纳样品的观察区域，沿所述观察区域向外延伸设置用于对维纳样品进行不同角度照明的若干条形波导，且各条形波导具有控制通光状态的光开关；耦合光源，位于各条形波导的入射端，提供耦合进各条形波导的倏逝场照明光；普通照明源，用于直接照明所述的微纳样品；物镜，用于将普通照明源发出的光聚焦至微纳样品，并收集不同倏逝场波矢照明及普通照明下的样品成像信息；图形处理单元，用于将不同照明条件下的频谱信息恢复到微纳样品原有空间频谱对应位置处，重构获取微纳样品的真实图像。本发明通过集成光波导与微纳光纤耦合源或LED芯片的结合，可以实现对微纳样品的多波长，多角度照明。

技术领域

本发明涉及集成波导光学领域以及超分辨显微成像领域，尤其是涉及一种集成光波导超分辨显微成像系统。

背景技术

当前，生物医学，微纳加工等领域的发展要求观察的样品尺寸已远远超出传统光学显微成像系统的理论分辨极限，为了能够推动相关产业的发展，必须寻求能够突破阿贝衍射极限的方法。

自20世纪90年代以来，研究人员针对纳米分辨技术开始了深入的研究，并且首先在荧光成像技术上实现了突破，提出了多种基于荧光标记的超分辨显微方法。第一类光学显微方法利用荧光分子的光开关效应，采用极低光强的激活光使得同一时间只有极少数稀疏的荧光分子被激活，具备荧光发射能力。主要包括光激活定位显微术(PALM)，光学重构显微技术(STORM)。第二类是基于非线性效应抑制荧光的发射，减小有效荧光点扩散函数的尺寸，从而提高系统的分辨率。Stefan Hell提出的受激光发射显微技术(STED)正是基于这一原理。此外，还包括光学波动成像法(SOFI)。在荧光显微术飞速发展的同时，研究人员也开始了对非荧光色团的超分辨显微成像技术研究。如结构光照明显微术，微球接触技术，等离子激元表面波，超透镜技术等，以及相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)以及受激拉曼散射(SRS)等非线性技术。同时，基于移频方法的超分辨显微技术也得到了快速发展。

但采用荧光标记的方法，面临着样品适用范围窄；标记荧光分子对生物样品具有光毒性等。非标记的远场超分辨显微成像中，结构光照明在非标记条件下分辨能力不足；CARS技术存在非谐振背景噪声问题；SRS技术则面临信息弱，需要同共焦扫描技术结合的弊端。已有的基于移频的超分辨成像方法则都不易于集成，操作过程复杂。一种真正能够实用化的产品必然兼具高的集成化程度以及使用的便捷性。但是，已有的超分辨都需要较庞大的设备和系统，操作复杂。为此，我们提出了一种集成光波导超分辨显微成像系统设计方案，该方法通过将芯片集成与超材料等技术进行有效结合，实现了整个系统的高度集成化，成像系统尺寸可减小至厘米量级。同时，该超分辨系统仅需将样品放置在工作区，通过简单的对焦及位置调整操作便可实现对微纳样品的超分辨观察，大大提高了使用的便捷性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成光波导超分辨显微成像系统，通过调制外界微纳耦合光纤光源或者侧面耦合LED芯片，利用条形光波导提供不同角度照明波矢。通过选择不同形貌设计的条形波导结构，与对应的样品槽相匹配，可以满足不同复杂程度微纳样品的观察；通过改变耦合光纤内的输入光波长或者提供LED芯片组合，实现多波长照明，最终实现对微纳样品的频谱信息较为完整的重构。

本发明的具体技术方案如下：

一种集成光波导超分辨显微成像系统设计，包括：

集成波导衬底，中部为放置微纳样品的观察区域，沿所述观察区域向外延伸设置用于对微纳样品进行不同角度照明的若干条形波导，且各条形波导具有控制通光状态的光开关；

外界耦合光源，位于各条形波导的入射端，提供耦合进各条形波导的照明光；

普通照明源，用于直接照明所述的微纳样品；

物镜，用于将普通照明源发出的光聚焦至微纳样品，并收集不同波矢照明及普通照明源照明条件下的样品成像信息；