[发明专利]一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片

权利要求书

1.一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片，其特征在于，所述光学芯片由两块相同材料的衬底组成，衬底材料在所选照明光波段是透明的；其中一块衬底是功能层，另一块衬底为成像层，两块衬底平行，功能层上下表面分别刻有m圈光栅结构，每圈包含若干个关于中心对称的成对光栅，每圈光栅的个数一致，且不同圈的对应光栅分布角度相同；选用与衬底折射率相同的光学胶水将功能层的上表面与成像层粘合起来，成像层上下表面事先进行抛光处理；成像层的成像区域位于非粘合表面的中心区域；样品放置于成像层的另一面；

使用复色光源阵列照明光学芯片；光学芯片中功能层的上下表面光栅构成双光栅，双光栅的位置和周期满足以下关系：

其中，Pm、Pm’分别下表面和上表面光栅对的周期，T1是功能层衬底材料的厚度，L是照明光光源距功能层下表面光栅的垂直距离；所述照明光光源为宽光谱的复色光源；

下表面同一圈内的同对光栅之间的间距满足：

其中λ是使用的照明光波长，n是衬底材料的折射率，T2是成像层衬底材料的厚度；

上表面同一圈内的同对光栅之间的间距满足：

其中Pm是该对光栅Pm’所对应的下表面的光栅对的周期；

对于不同波长的光，以相同的角度入射，光路是可逆的，因此将经过光栅的一束复合光以合适的角度透过另一个光栅，经过双光栅结构之后最终会汇聚为一束复合光，实现光栅对光的汇聚作用，从而达到消除前一个光栅色散的作用；消除光栅色散的原理具体推导过程为：光栅的衍射方程如下：

d(sinθ+sinβ)＝kλ

其中，θ为入射角，β为衍射角，k为衍射级数；将第一个光栅的衍射角作为第二个光栅的入射角代入光栅衍射方程当中，有：

d(sinβ+sinγ)＝iλ

其中γ为第二个光栅的衍射角，i为衍射级数，对比两个光栅衍射方程可知，存在k＝i的衍射级数相同的光，通过第二个光栅的衍射角γ与第一个光栅的入射角θ相同；对于不同波长的光，以相同的角度入射，经过双光栅结构之后最终会汇聚为一束复合光。

2.根据权利要求1所述的一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片，其特征在于，所述衬底材料选择SiN、SiO2、Al2O3、TiO2或者Polymer；成像分辨率取决于材料折射率以及选用照明波长，衬底材料和照明波长具体根据成像分辨率需求、成本、加工条件选用。

3.根据权利要求1所述的一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片，其特征在于，采用微纳加工方法制备光栅，包括EBL、FIB、光刻或纳米压印。

4.一种利用权利要求1-3任一项所述的移频超分辨光学芯片成像的系统，其特征在于，该系统具体结构包括：复色光源、支撑芯片的样品台、收集样品散射光的显微物镜、透镜、彩色相机、镜架以及用于图像存储与重构计算的计算机；显微物镜位于芯片的成像层的外侧，所述物镜和透镜将样品的移频散射像共轭成像到彩色相机，图像存储和重构计算单元对彩色相机记录到的移频散射图进行重构，得到样品的超分辨显微图。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，光源后增加光束扫描装置，将光斑准确反射到功能层的光栅上，提高成像速度；光束扫描装置是振镜或者空间光调制器。

6.一种利用权利要求4所述的移频超分辨光学芯片成像的系统的成像方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一：用彩色相机采集光学芯片上样品的低频空间信息；

步骤二：使用复色光源阵列照明光学芯片；光场经过功能层下表面光栅发生一级衍射，再经过功能层上表面光栅的汇合后，以一定的角度θm耦合到成像层光波导中；

其中是入射光与波导法线的夹角；

光场在成像平面发生全反射，产生的倏逝场照明中心成像区域的样品并通过彩色相机采集样品的不同方向不同频率的高频空间信息；

步骤三：将步骤一和步骤二采集到的低频、高频空间信息进行频移，第m圈光栅产生的倏逝场频移量为：

K_m＝K₀*n*sinθ_m

其中是入射光在真空中的波矢；然后在频域空间进行迭代拼接，得到扩大后的频谱，最后进行反傅里叶变换重构出超分辨的样品图像。