[发明专利]一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片

说明书

本发明公开了一种解决成像过程照明光色散问题的移频超分辨光学芯片，光学芯片由两块相同材料的衬底组成，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圈成对光栅。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，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。本发明利用双光栅的消色散特性解决移频光学超分辨显微芯片的照明光色散问题，减小了复色照明光具有较宽的光谱而导致的照明色散，有效提高了成像系统的分辨率，解决了芯片使用复色光源的障碍，对移频超分辨显微芯片照明光多样化、成本降低有着极为重要的意义。

技术领域

本发明涉及移频超分辨光学芯片领域，尤其涉及一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片。

背景技术

生物体的生命活动都由细胞完成，通过对细胞的研究就可以了解到生命体生命活动的具体情况。而生物显微镜受到了阿贝衍射极限的限制，其分辨率往往达不到能够清楚得看到细胞活动的要求。为了研究细胞的各项生命活动，就需要使用分辨率更高的显微镜，因此就需要用到超分辨技术。经典的超分辨显微方法如SIM、PSIM等都需要复杂的光路以及笨重的设备来实现，光学超分辨显微芯片可以通过精密加工将复杂的结构简化集成到光学波导芯片上，光学超分辨显微芯片可以大大提高光学超分辨系统的轻便性，并且更加方便量产。移频超分辨技术可以实现大视场与快速成像，因此将移频超分辨技术与光学芯片相结合可以更有效地实现光学超分辨显微成像。

现有的移频超分辨显微芯片通常在波导上刻上光栅，通过光栅衍射获得移频量，实现移频超分辨成像。现有的芯片在使用过程当中存在光源色散对成像质量影响较大的问题，现阶段尚未有一种方法能够很好地解决照明光色散对移频超分辨芯片成像质量影响的方法。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于双光栅的移频超分辨光学芯片，利用双光栅的消色散特性解决移频光学超分辨显微芯片的照明光色散问题，减小了复色照明光具有较宽的光谱而导致的照明色散，有效提高了成像系统的分辨率，解决了芯片使用复色光源的障碍，对移频超分辨显微芯片照明光多样化、成本降低有着极为重要的意义。本发明可以有效解决片上移频超分辨成像过程当中存在的照明光色散问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适用于复色光源的移频超分辨光学芯片，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。

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。

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，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。

进一步地，所述照明光光源为复色光源。

进一步地，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。