[发明专利]基于布洛赫表面波结构光照明的超分辨成像系统及方法

说明书

本公开提供了一种基于布洛赫表面波结构光照明的超分辨成像系统及方法，该方法包括：根据待成像样品确定多波长成像的工作波长；根据工作波长确定照明模块中截断的一维光子晶体结构，以调控其能带禁带、布洛赫表面波色散曲线覆盖工作波长；根据工作波长和截断的一维光子晶体结构确定照明模块中的周期性光栅结构，以使周期性光栅结构的高阶衍射光与布洛赫表面波模式耦合；使用多波长平面波激发照明模块，以产生布洛赫表面波结构光照明待成像样品；分别采集每个工作波长下待成像样品产生的荧光信息，得到多幅衍射受限成像子图；根据多幅衍射受限成像子图利用超分辨恢复算法分别重构出每个工作波长下的超分辨结果，得到多波长多模态的超分辨成像图案。

技术领域

本公开涉及超分辨成像技术领域，具体涉及一种基于布洛赫表面波结构光照明的超分辨成像系统及方法。

背景技术

显微成像技术被广泛应用于生物组织、结构、功能的研究中，显微成像装置已经成为生命科学研究的重要工具。然而传统宽场荧光显微成像的分辨率受限于衍射极限，其横向分辨率一般不会突破200nm，限制了对小尺度生物结构的观测。结构光照明显微技术能够突破衍射极限，获取超过衍射极限的成像分辨率，但其分辨率提升不超过两倍衍射极限，即横向分辨率一般不会突破100nm。这是由于传统结构光照明技术使用光栅投影等方式来产生结构光照明条纹，其照明光场同时也是衍射受限的，故提供的频域移动能力不超过截止频率。使用表面倏逝波干涉条纹作为结构光来照明样品，由于倏逝波的横向波矢更大，能够提供超过截止频率的频域移动能力，因此其分辨率能够超过两倍衍射极限，实现小于100nm的横向分辨率。由于倏逝波在纵向上强度呈指数衰减，因此此时成像信息集中在物体表面，也被称为表面成像，此时能够获取样品表面的高信噪比图像，适用于生物膜层活动、胞吞现象、神经元结构等的观测。

倏逝波表面成像结构光照明显微能够提供小于100nm的成像分辨率，倏逝波照明通常通过全内反射、表面等离子体、波导等结构来实现：全内反射通常通过物镜耦合基底来实现，其所需的耦合角需要大于全内反射角，其成像装置较为复杂，且所提供的倏逝波波矢受限于基底折射率，造成分辨率提升能力有限；表面等离子体使用金属-介质的界面来支撑表面倏逝波模式，由于金属材料的引入，导致模式损耗较高，同时生物相容性较低；波导结构的设计加工较为复杂，且由于需要波导模式的干涉，其成像视场通常受限。

由于生物成像过程需要同时对多目标进行染色与观测，多波长多模态成像能力是显微技术的热点发展方向。因此，亟需一种多波长多模态、超分辨、大视场、高速、高生物相容性的结构光照明超分辨显微技术，来满足生物成像领域的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本公开提供了一种基于布洛赫表面波结构光照明的超分辨成像系统及方法，用于解决传统超分辨成像的分辨率受限且难以实现多波长多模态成像等技术问题。

(二)技术方案

本公开一方面提供了一种基于布洛赫表面波结构光照明的超分辨成像方法，包括：S1，根据待成像样品确定多波长成像的工作波长；S2，根据工作波长确定照明模块中截断的一维光子晶体结构，以调控其能带禁带、布洛赫表面波色散曲线覆盖工作波长；S3，根据工作波长和截断的一维光子晶体结构确定照明模块中的周期性光栅结构，以使周期性光栅结构的高阶衍射光与布洛赫表面波模式耦合；S4，使用多波长平面波激发照明模块，以产生布洛赫表面波结构光照明待成像样品；S5，分别采集每个工作波长下待成像样品产生的荧光信息，得到多幅衍射受限成像子图；S6，根据多幅衍射受限成像子图利用超分辨恢复算法分别重构出每个工作波长下的超分辨结果，从而得到多波长多模态的超分辨成像图案。

进一步地，S1还包括：根据多波长成像的工作波长确定成像模块中物镜的数值孔径。