[发明专利]基于micro-LED的非扫描共聚焦显微系统

说明书

本发明公开了基于micro‑LED的非扫描共聚焦显微系统，包括：照明光源，准直透镜、聚焦透镜、第一透镜、物镜、控制模块和CCD阵列，照明光源发出的光通过准直透镜得到平行光，聚焦透镜将平行光聚焦并作用在样品，通过样品调制后输出的光依次通过第一透镜和物镜作用在CCD阵列中，照明光源包括若干个micro‑LED发光芯片，micro‑LED发光芯片组成阵列，micro‑LED发光芯片的尺寸≤50μm，micro‑LED发光芯片之间的距离等于一个micro‑LED发光芯片的尺寸，控制模块用于控制micro‑LED发光芯片有序开关。通过micro‑LED发光芯片的小尺寸和阵列可控性，与CCD阵列构成共轭成像，提升了整体的成像分辨率。本发明主要用于显微成像技术领域。

技术领域

本发明涉及显像技术领域，特别涉及基于micro-LED的非扫描共聚焦显微系 统。

背景技术

人们主要是通过眼睛的光学成像来获取外界的信息。随着科学技术的不断进 步和科学家的不懈努力，人类的“视域”已从眼睛的生物器官极限拓展到仪器的 物理极限上。原本人类“看不见”的光和“看不清”的物体，现在都可以通过先 进的光学仪器设备来实现。随着科学家的不懈努力的探索光学世界，光学成像技 术也在不断的革新，同时结合光学调控和创新型的高速计算等技术，光学成像技 术让我们看到了我们不曾见过和感知过的世界。但如何突破衍射极限，获取高分 辨的图像，仍是我们光学显微成像的一大难题。

成像领域的技术发展是我们难以预估的，就近70年来就获得了十项的诺贝 尔奖：1953年的相衬显微镜、1971年的全息照相机、1981年的电子与激光光谱 仪、1986年的电子显微镜、1991年的核磁共振、1999年的飞秒化学成像、2008 年的绿色荧光蛋白成像、2009年的CCD成像、2014年的超分辨荧光成像和2017 年的冷冻电子显微镜成像。从这十项的诺贝尔奖可以看出，光学显微成像技术的 研究领域一直都受到科学家的高度关注，虽然与扫描隧穿显微镜、原子力和电子 显微镜等设备相比，它的分辨率还是有差距。但是光学显微成像技术是应用比较 广泛的一种观测手段，特别是远场光学成像显微镜，它不仅具有反映样品的微观 信息，如光谱信息、样品的内部结构和散射场等的能力，而且在样品制备和测试条件上更加简便。还有其非接触、无损伤、可探测样品内部的特点，这些特点为 其在生物领域研究组织活细胞提供了先天的条件。事实上，人们从未停止对远场 光学成像显微镜的探索和革新，它一直是生命科学研究中最主要的工具。2020年， 国家自然科学基金委员会信息学部也将“超高分辨、高灵敏光学检测方法与技术” 列为优先发展领域，“突破衍射极限的光学远场成像方法与技术”为其中的第一 个主要研究方向。几百年前，Antony VanLeeuwenhock将光学显微镜用于细胞 生物学的研究中，至此光学显微镜成为研究微观生物的主要工具之一。但随着研 究的深入，对于观察更加精细的结构或分子水平的事物而言，普通光学所能够达 到的最大分辨率并不足以满足这样的需求。但在2014年的超分辨荧光成像技术 的诞生让我们的超分辨成像又前进了一大步。超分辨荧光成像技术是利用荧光分 子作为探针标记生物组织，通过探测受激荧光分子发射的荧光信号分布获取样品 的空间信息，从而突破衍射极限提高成像的质量[1]。经过科学家的努力探索， 下村修发现了绿色荧光蛋白(GFP)而获得了2008年诺贝尔化学奖，使得GFP 在生物领域成为最广泛的活体标记物。E.Betzig、S.Hell、W.Moerner分别发明 了光活化定位(PALM)[2]和受激发射耗尽(STED)[3]荧光显微成像而获得2014 年诺贝尔化学奖。随着现代科学技术的飞速发展，特别是激光、光纤、计算机以 及光电技术的快速发展，显微技术也进入到了一个新的发展阶段，不同种类的新 型显微技术层出不穷，如结构光照明显微技术(SIM)[4]、随机光学重建显微技 术(STORM)[5]、光学涨落信号的超分辨显微技术(SOFI)[6]、激发态吸收(ESA) /基态损耗(GSD)(与STED统称可逆饱和/开关光跃迁(RESOLF))[7]、以及 结合STED和单分子定位的MINFLUX等。各种新型技术的出现和改进优化，让光 学显微进入光学显纳时代。虽然超分辨荧光显微技术能向人们展示细胞、亚细胞 结构等微观尺度的信息，但其本身也有一定的缺点：1)超分辨荧光显微需要特 定的荧光标记物，这类荧光分子不是普遍适用于一切样品；2)超分辨显微成像 过程复杂，时间长、丢失了一些重要的光学信息；3)该类技术是通过荧光非线 性、开光组合或数值方法将荧光分子分辨开，本质上是观测荧光标志物而不是看生物样品本身。因此，即使超分辨荧光显微技术突破了衍射极限实现高分辨成像， 但传统的光学显微技术仍得到人们更广泛的应用。