一种基于SiO2介质微球的超分辨成像方法与流程

本发明属于光学成像的技术领域，具体涉及一种基于sio2介质微球的超分辨成像方法。

背景技术：

现有光学方法受限于光波衍射效应，在可见光波段，光学显微镜的极限分辨率约为200nm。而该成像分辨率已经不能满足人们对微观世界进行探索的需求。如在生物学领域中，对细胞分裂、迁移、伤口愈合以及免疫系统响应等生物行为，受到分辨率的限制，人们一直对细胞膜在其中发挥的作用几乎一无所知。此外，在纳光子学领域中，生物芯片、通信芯片、传感芯片和存储芯片等也都对纳米光学和光子学器件提出了高集成和高分辨的要求。本方法提出的一种基于sio2介质微球的超分辨成像方法，将有利于推动我国的微纳器件检测学，生物学、光学等学科的发展

近年来，国内外科研人员纷纷投入到光学超分辨成像研究领域中，并且出现了多种具有代表性的方法。比如，在2014年，德国科学家stephanw.和美国科学家williame.提出的受激发射损耗显微技术(sted)，先利用一束激发光聚焦成正常的衍射受限焦斑，使焦斑内的荧光分子处于激发态，再利用另一束为中心光强为零的环形分布的损耗光照明处于激发态的荧光分子，两束光叠加后，使得周边区域内的荧光分子被淬灭，从而获得一个小于衍射极限的荧光发光点，实现对样品的高分辨成像。然而该技术需要对样品进行染色且是基于逐点扫描方式获取宽视场像，对系统和定位要求都很高，在一定程度上限制了他们的使用。

英国科学pendy在2000年首先提出了超透镜概念，理论分析了携带高频信息的倏逝波在厚度为40nm的银膜超透镜中传播显著加强，在可见光波段中就能实现间隔为80nm的物点。进而在2007年，张翔小组提出了由银膜和亚波长光栅组成的远场超透镜，利用银膜来增强倏逝波，再结合亚波长光栅将倏逝波转换成远场可以传播的传播波，分别获取物体的低频信息和高频信息，再通过数据处理重新组合物体的高频和低频信息，获取了约三分之一波长的远场分辨率。然而该方法受限于人工材料本身，也就限制了光束在其中传播的距离，导致成像对比度和放大倍率受限。

在国内，原理上大多沿用了国外技术思路，通过不同材料不同算法来不断提高成像质量和系统稳定性。但无论是国内还是国外，目前的光学超分辨显微技术大多过程复杂，时间耗费长。提出一种系统结构简单，适应性强的超分辨成像方法仍然是目前急需解决的难题。

技术实现要素：

为了解决上述难题，本发明设计了所述的一种基于sio2介质微球的超分辨成像方法，可以实现低于200nm的超分辨二维成像。

本发明采用的技术方案为：一种基于sio2介质微球的超分辨成像方法，利用可见光宽光谱照明，通过匀胶机旋转将sio2介质微球放置于待测结构表面，在常规成像显微镜下观察特征尺寸低于半波长的结构细节；通过优化介质微球的浸没方式，显微镜的成像模式和物镜与待测物间距离等参数，不断增强显微成像质量，最终突破衍射极限，实现超分辨成像；利用时域有限差分法，借助仿真软件cst模拟分析介质微球聚焦特性，通过olympus金相显微成像实验观察139nm结构细节，从而验证本方法超分辨成像的可行性。

其中，利用可见光宽光谱照明，通过匀胶机旋转将sio2介质微球放置于待测结构表面，在常规成像显微镜下观察特征尺寸低于半波长的结构细节。

其中，通过优化介质微球的浸没方式，显微镜的成像模式和物镜与待测物间距离等参数，不断增强显微成像质量，最终突破衍射极限，实现超分辨成像。

其中，利用时域有限差分法,借助仿真软件cst模拟分析介质微球聚焦特性，通过olympus金相显微成像实验观察139nm结构细节，从而验证本方法超分辨成像的可行性。

其中，在传统显微镜下即可实现超分辨成像，在不改变成像系统结构的基础下，在待测物体表面放置sio2介质微球，通过调节微球浸没方式，显微成像模式等条件便能达到较高超分辨成像质量。但由于微球尺寸的限制，导致成像视场受限，当需要大视场超分辨成像时，还需要后期图像拼接。

其中，通过可见光宽光谱波段照明，本方法能够达到特征尺寸为139nm的结构细节成像，实现了低于半波长的超分辨成像。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明通过将sio2介质微球放置于待测物表面，通过传统光学显微镜系统即可实现超分辨成像，该测量系统结构相对简单，具有很强的实用性；

(2)、本发明中，在可见宽光谱波段能突破衍射极限，不需系统标定即可实现低于200nm的超分辨成像，具有较强的环境适应性。

附图说明

图1为本发明一种基于sio2介质微球的超分辨成像方法利用的系统结构图，其中，1为待测物体结构，2为sio2介质微球，3为显微成像物镜，4为分光镜，5为图像采集系统，6为镜头透镜，7为白光光源；；

图2为通过时域有限差分法,借助仿真软件cst模拟分析介质微球聚焦特性及半高宽数据，其中，入射平面波波长600nm，sio2直径为5μm，微球为非浸没模式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

本发明基于sio2介质微球的超分辨成像方法，通过匀胶机旋转将直径为5μm的sio2介质微球均匀放置于待测结构表面，然后将待测物结构放到光学显微成像系统中。

首先采用中心波长为600nm，带宽150nm左右的白光照明光源，通过镜头透镜入射至分光镜，进而到达待测物体表面。然后，将物体结构信息反射于微球中，通过光学成像系统，最终成像到图像采集系统，如图1所示。

在时域有限差分法的数值分析基础上，借助仿真软件cst模拟分析介质微球聚焦特性，其中，入射平面波波长600nm，sio2直径为5μm，微球为非浸没模式。得到如图2所示的光强分布曲线，可以看到其聚焦半高宽小于200nm，说明介质微球具备超分辨成像的能力。

其中，通过优化介质微球的浸没方式，显微镜的成像模式和物镜与待测物间距离等参数，都有助于不断增强显微成像质量，更好地体现物体细节信息。

基于sio2介质微球的超分辨成像方法,一方面能实现系统结构简单，实用性强,另一方面能在可见宽光谱波段实现低于200nm的超分辨成像，不需系统标定，具有较强的环境适应性。

当然，在本例中，由于微球尺寸的限制，导致成像视场受限，当需要大视场超分辨成像时，还需要后期图像拼接。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于SiO2介质微球的超分辨成像方法，利用可见光宽光谱照明，通过匀胶机旋转将SiO2介质微球放置于待测结构表面，在常规成像显微镜下观察特征尺寸低于半波长的结构细节。通过改变介质微球的浸没方式，转换显微镜的成像模式和调节物镜与待测物间距离，不断增强成像对比度，最终突破衍射极限，实现超分辨成像。本方法首先通过时域有限差分法，借助仿真软件CST模拟分析介质微球聚焦特性，进而通过Olympus金相显微成像实验，利用CCD(Charge Coupled Device)采集获取成像结果，从而验证其可行性。本方法能在较为简单的光学系统下实现超分辨成像，具有很强的实用性。

技术研发人员：周毅;唐燕;陈楚怡;邓钦元;谢仲业;田鹏;李凡星;胡松;赵立新
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2017.07.11
技术公布日：2017.10.03