带有微球的成像辅助装置的制作方法

本实用新型涉及光学成像技术，特别是涉及可以提高光学成像分辨率的带有微球的成像辅助装置。

背景技术：

传统光学显微镜由于受到衍射极限的限制，存在理论上的分辨率极限。根据阿贝衍射极限，光学显微镜的分辨率极限大约是入射的可见光波长的一半。可见光中波长最短的是蓝紫光，其波长在400纳米作用。如果成像目标的特征尺寸小于200纳米，那么传统光学显微镜是无法分辨的，实际上，通过传统光学显微镜观察到300纳米的物体都很困难。因此，如何绕过阿贝极限以提高光学成像分辨率是当今光学成像技术领域十分热门的研究课题之一。近些年来，已经提出了应用微米、纳米尺寸的微球(介质球)透镜来提供超分辨率成像的方法。例如，在不改变现有的光学显微镜组成结构的情况下，将具有高折射率的微球透镜置于样品表明，通过微球透镜的视场观测样品，便可以得到进一步放大的、更高分辨率的像。微球透镜的工作原理如图1所示，当样品置于微球透镜的焦距内时，样品出射或反射的光线透过放置在样品前方的微球透镜，在样品的后方形成放大的高分辨率虚像，该虚像随后可以被光学显微镜的成像系统捕获。

现有的采用微球(即，微球透镜)的光学显微镜系统，通常将微球直接放置在样品表面上，并且利用油浸来观察样品。例如，US 2014/0355108 A1公开了一种使用高折射率微球的超分辨率光学成像系统，如图2所示。该光学成像系统100包括带有纳米级表面特征的样品112，以及传统光学显微镜的物镜114，高折射率的微球116直接放置在样品112的表面上，并且浸没在液滴118中。在这样的设计中，微球与样品表面直接接触，将会不可避免地污染和破坏样品。

为了得到最佳的成像质量，同时保护样品，有必要将微球与样品表面分隔开来。WO 2017/034484 A1和WO 2017/007431 A1公开了使用玻璃基片和三轴压电工作台来操纵微球与样品之间的间距的不同方法。CN 102305776 B公开了使用电动机驱动的粗调装置调节显微镜物镜和样品之间的间距，并且使用压电陶瓷装置驱动的细调装置调节显微镜物镜和微球之间的间距的方法。然而，现有技术的这些方法都需要复杂的控制机构，不易于操作，并且这些方法都针对特定的成像模式，例如，透射成像或反射成像、干式成像或浸液式成像，具有较大的使用局限性。此外，现有技术采用的微球组件的组装、更换和携带也不方便。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术存在的问题，提供一种便携式的带有微球的成像辅助装置，以实现普通光学成像设备，例如显微镜、拍照手机、相机等的超分辨率成像。

根据本发明的一个方面，提供了一种带有微球的成像辅助装置，包括：固定部件，其为两端开口的中空柱状，所述固定部件的一端适于固定连接至物镜；可移动部件，其适于可移除地套设在所述固定部件的另一端的外部，并且相对于所述固定部件可轴向移动；显微结构，其适于固定在所述可移动部件的相对于物镜的远端，并且与所述固定部件同轴设置，所述显微结构包括结构相同且相互平行设置的两个薄片，以及微球，其中，在每个所述薄片的中心开设有直径小于所述微球的直径的通孔，所述微球被夹持在分别位于所述两个薄片上的两个通孔之间，并且位于所述物镜的视场中心。

优选地，所述微球为具有高透光性和高折射率的介质微球，包括实心介质微球和空心介质微球。

优选地，每个所述薄片开设有围绕所述通孔的多个适于透光或透液的开口。

在其中一个实施例中，所述固定部件的外表面周向设置有导轨凹槽，所述可移动部件设置有适于固定在所述导轨凹槽内并且沿所述导轨凹槽滑动的定位件，在所述定位件置于所述导轨凹槽内时，通过旋转所述可移动部分可使得所述可移动部分连接至所述固定部分并且相对于所述固定部分轴向移动。

优选地，所述固定部件的外表面周向设置有两条导轨凹槽，所述可移动部件设置有分别对应于所述两条导轨凹槽的两个定位件。

在其中一个实施例中，所述带有微球的成像辅助装置还包括步进电动机，所述电动机的壳体连接至所述固定部件，所述电动机的导螺杆连接至所述可移动部件，所述步进电动机适于驱动所述可移动部件相对于所述固定部件的轴向移动。

优选地，在所述固定部件的外侧面设置有第一凹槽，所述第一凹槽适于接收和固定所述电动机的壳体，在所述可移动部件的外侧面设置有第二凹槽，所述第二凹槽适于接收和固定所述电动机的导螺杆。

优选地，所述电动机为直流伺服电机。

上述带有微球的成像辅助装置，通过固定部件可直接连接物镜上，从而避免微球与样品表面直接接触，并且通过可移动部件相对于固定部件的轴向移动，可以控制物镜和微球之间的间距。该带有微球的成像辅助装置以低成本、便于组装的方式实现了超分辨率成像，并且，由于微球与样品之间存在间距，因此可以实现大面积的扫描成像。此外，该带有微球的成像辅助装置还具有以下优点：

微球可预先内嵌和固定在显微结构中，并且与可移动部件和固定部件构成集成的透镜模组以备使用，从而实现“开箱即用”；

对应用环境不敏感，同时兼容干式和浸液式成像技术，对于不同的浸液(如油、水或其他)条件，均可以发挥其功能；

在与物镜组装在一起之后，无需改变显微结构相对于可移动部件的位置，便既可以用于透射成像模式，又可以用于反射成像模式。

根据本发明的另一个方面，提供了一种带有微球的成像辅助装置，包括：

微球套筒，其适于可移除地套设在物镜的外部，并且相对于所述物镜可轴向移动，所述微球套筒包括可在固定状态和释放状态之间切换的固定件，当所述固定件处于固定状态时适于使得所述微球套筒固定在所述物镜上而不会发生相对位移，当所述固定件处于释放状态时允许所述微球套筒相对于所述物镜的轴向移动；

显微结构，其适于固定在所述微球套筒的相对于物镜的远端，并且与所述微球套筒同轴设置，所述显微结构包括结构相同且相互平行设置的两个薄片，以及微球，其中，在每个所述薄片的中心开设有直径小于所述微球的直径的通孔，所述微球被夹持在分别位于所述两个薄片上的两个通孔之间，并且位于所述物镜的视场中心；

校准装置，其可移除地连接至所述微球套筒，并且适于调节所述微球套筒相对于所述物镜的位置。

优选地，所述校准装置包括夹持部件和底座，所述夹持部件适于可松开地夹持所述微球套筒，所述底座适于固定至三轴千分尺平台。

根据本方面的带有微球的成像辅助装置，通过校准装置调节微球套筒相对于物镜的位置，即，调节微球与物镜之间的间距，在调节结束之后，通过固定件将微球套筒固定在物镜上，而后移除校准装置。该带有微球的成像辅助装置采用微球套筒的方式来将常规光学显微镜转换为纳米级显微镜，其同样具有上述方面的带有微球的成像辅助装置的优点。

上述方面的带有微球的成像辅助装置具有价格低廉、组装简单、适用性广泛的特点，是将常规光学显微镜升级到纳米级显微镜的低成本转换装置，并且具有通用性，只需稍加调整，便可适用于各种类型的物镜，从而实现对纳米级样品的实时图像扫描和观察，例如，半导体元器件的故障分析、亚细胞结构活性观察等。

附图说明

图1示意说明了微球的工作原理；

图2为传统的采用微球的光学显微镜系统的示意图；

图3为根据本发明的实施例一的带有微球的成像辅助装置的示意图；

图4为图3所示的成像辅助装置的结构分解图；

图5A-5C为图3所示的成像辅助装置的部分结构的示意图；

图6为实施例一的成像辅助装置的使用示意图；

图7为图3所示的成像辅助装置在浸液式成像中应用的示意图；

图8为根据本发明的实施例二的带有微球的成像辅助装置的示意图；

图9为图8所示的成像辅助装置的结构分解图；

图10A-10B为图8所示的成像辅助装置的部分结构的示意图；

图11为实施例二的成像辅助装置的使用示意图；

图12为根据本发明的实施例三的带有微球的成像辅助装置的示意图；

图13为图12所示的成像辅助装置的部分结构示意图；

图14为实施例三的成像辅助装置在进行微球调节时的使用示意图；

图15为实施例三的成像辅助装置在微球调节后进行观察的使用示意图；

图16A为使用放大倍数20倍，数值孔径0.4的物镜观察到的校准片光栅的图像；

图16B为使用放大倍数100倍，数值孔径0.8的物镜观察到的校准片光栅的图像；

图16C为使用放大倍数20倍，数值孔径0.4的物镜加装本发明的带有微球的成像辅助装置观察到的校准片光栅的图像；

图17A展示了使用放大倍数20倍，数值孔径0.4的物镜观察到的洋葱表皮细胞图像；

图17B展示了使用放大倍数20倍，数值孔径0.4的物镜加装本发明的带有微球的成像辅助装置观察到的洋葱表皮细胞图像；

图17C展示了使用放大倍数50倍，数值孔径0.6的物镜观察到的洋葱表皮细胞图像；

图17D展示了使用放大倍数100倍，数值孔径0.9的物镜观察到的洋葱表皮细胞图像。

图18A展示了显微镜下观测到的单幅图像；

图18B展示了将25幅图像初步拼接后得到的结果；

图18C展示了使用图像融合算法处理后的图像；

图19A展示了硬盘磁头在电子显微镜下的图像；

图19B展示了图19A所示的相同区域在加装本发明的带有微球的成像辅助装置的常规光学显微镜下的图像；

图20A-C分别展示了工作距离为0微米(接触)、近距离(30-80微米)和远距离(80-200微米)时的生物样品的同一区域的成像效果。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

实施例一

如图3所示，提供了一种可安装在物镜上的带有微球232的成像辅助装置，其包括固定部件210、可移动部件220和显微结构230。进一步参照图4和5A-5C。固定部件210为两端开口的中空柱状，该固定部件210的近端适于通过粘接、焊接、螺栓连接或卡扣连接等方式固定连接至常规光学显微镜的物镜。在固定部件210的外表面周向设置有两条导轨凹槽212a和212b。可移动部件220适于可移除地套设在固定部件210的远端的外部，并且相对于固定部件210可轴向移动。可移动部件220设置有适于分别固定在固定部件210的两条导轨凹槽212a 和212b内并且沿相应导轨凹槽滑动的定位件222a和222b。当将可移动部件220 套设在固定部件210的远端的外部时，需调整可移动部件220相对于固定部件 210的位置和角度，使得定位件222a和222b分别进入导轨凹槽212a和212b，接着通过旋转可移动部件220，可使得可移动部分220连接至固定部分210。在后续操作过程中，通过顺时针或逆时针旋转可移动部件220，可调节可移动部分 210相对于固定部分210的相对位移。本领域技术人员可以理解的是，尽管本实施例采用了类似螺纹配合的滑轨方式，但是还可以采用本领域已知的其他方式实现可移动部分相对固定部分的轴向位移。在可移动部件220和固定部件210 相互连接的表面还涂有润滑剂，以减少使用中产生的表面间摩擦力。

显微结构230适于固定在可移动部件220的相对于物镜的远端，并且与固定部件230同轴设置。显微结构230包括结构相同且相互平行设置的两个薄片 234，以及微球232。在本实施例中，薄片234为金属薄片，在每个薄片的中心开设有通孔236，并且在通孔236的周围开设有四个适于透光或透液的开口238。本领域技术人员可以理解的是根据实际需要，薄片234中的开口238的数量可以小于四个，也可以大于四个。

微球232被夹持在分别位于两个薄片234上的两个通孔236之间，并且位于物镜的视场中心。优选地，微球232为具有高透光性和高折射率的介质微球，可以是实心介质微球，也可以空心介质微球。此外，本发明未对使用的微球232 的特性做具体限制，可以使用现在已知的任意合适类型的微球，也可以使用未来开发的任意合适类型的微球。

图6展示了根据本实施例的带有微球的成像辅助装置的使用。通过手动旋转可移动部分便可调节微球与物镜之间的间距，而通过调节样品台高度可以调节微球和样品之间的间距。该带有微球的成像辅助装置，通过固定部件可直接连接物镜上，可以避免微球与样品表面直接接触。由于微球不与样品表面接触，该成像辅助装置可以扫描样品的表面来实现大面积的成像。

由于微球预先内嵌和固定在显微结构中，并且与可移动部件和固定部件构成集成的透镜模组以备使用，因此该成像辅助装置具有“开箱即用”的特点。

此外，该成像辅助装置对应用环境不敏感，同时兼容干式和浸液式成像技术，对于不同的浸液(如油、水或其他)条件，均可以发挥其功能。图7展示了本实施例的成像辅助装置在浸液式成像中的应用。如图所示，利用油浸物镜来观察样品时，滴在样品表面的油滴通过薄片中的开口浸没微球到达物镜表面，从而在样品和物镜之间形成浸液层。通过这种方式可以减少有害的反射光，从而提高视域中物象的反差和清晰度。

实施例二

如图9所示，本实施例的成像辅助装置与实施例二的成像辅助装置类似，不同在于本实施例的成像辅助装置的可移动部件相对于固定部件的连接方式和驱动方式。进一步参照图9和10A-10B。除了固定部件310、可移动部件320和显微结构330，成像辅助装置还包括直流伺服电机340(例如，由FAULHABER 生成的型号FDM0620的电动机)。在固定部件310的外侧面设置有第一凹槽312，在可移动部件320的外侧面设置有第二凹槽322。当可移动部件320套设在固定部件310上后，第一凹槽312用于接收直流伺服电机340的壳体部分，而第二凹槽322用于接收直流伺服电机340的导螺杆。直流伺服电机340可驱动可移动部件320相对于固定部件310的轴向移动。本领域技术人员可以理解的是，尽管本实施例采用了直流伺服电机，但是可以采用其他任何合适类型的电动机来实现可移动部件相对于固定部件的轴向位移。

本实施的显微结构330与实施例的显微结构230完全相同，在此不再赘述。

图11展示了本实施例的成像辅助装置的使用。在使用中，直流伺服电机340 外接有控制电路，控制电路为直流伺服电机340提供电源和控制命令。直流伺服电机340的导螺杆每一周转可提供精度为0.25毫米的直线位移。每一周旋转默认需要20步，直流伺服电机则可将其进一步细分为256小步，从而达成亚微米级的定位精确度。相对于实施例一，本实施例可以更精确地控制微球332相对于物镜的间距。

实施例三

如图12-13所示，本实施例的成像辅助装置包括微球套筒410、显微结构420 和校准装置430。显微结构420与上述实施例相同，微球422夹在两个薄片中间并且位于物镜的视场中心。显微结构420适于固定在微球套筒410的相对于物镜的远端，并且与微球套筒410同轴设置。微球套筒410套设在物镜外部。微球套筒410的侧壁设有若干个供螺栓穿过的螺孔，穿过螺孔的螺栓可将微球套筒410固定在物镜上。也就是说，当拧开微球套筒410上的螺栓时，微球套筒 410可相对物镜轴向移动或者从物镜上移除，当拧紧微球套筒410上的螺栓时，微球套筒410可以固定在物镜上。

校准装置430包括夹持部件432和底座434。夹持部件432适于可松开地夹持微球套筒432，底座434适于固定至三轴千分尺平台。

图14和15分别展示了本实施例的成像辅助装置在进行微球调节时和微球调节后进行观察的示意图。其操作过程如下：将组装有显微结构420的微球套筒410套设在物镜外部，通过拧紧微球套筒410上的螺栓将微球套筒410固定在物镜上；用校准装置430的夹持部件432夹持微球套筒432，拧开微球套筒 410上的螺栓；通过三轴千分尺平台调节微球与物镜之间的间距，并且通过显微镜自带平台调节样品与微球之间的间距；待观察到清晰的样品图像时，拧紧微球套筒410上的螺栓，将微球套筒410重新固定在物镜上；使得夹持部件432 松开微球套筒410，移除校准装置430。

实验结果

本发明的带有微球的成像辅助装置可以与现有的常规光学显微镜匹配使用。为体现本发明的效果，发明人进行了许多测试实验，以下以两组样品的测试实验为例进行说明，这两组样品的测试实验分别采用了显微镜的反射模式与透射模式。

实验一

本实验采用显微镜的反射模式观察标准硅基显微镜校准片。该校准片上有标准化的微小结构用于显微镜类仪器的校准。该校准片上具有用于显微镜类仪器的校准的标准化的微小结构。图16A-C展示了显微镜下观察到的该校准片上的结构之一——由紧密排列的平行线组成的光栅。图16A为使用放大倍数20倍，数值孔径0.4的物镜观察到的校准片光栅的图像；图16B为使用放大倍数100 倍，数值孔径0.8的物镜观察到的校准片光栅的图像；图16C为使用放大倍数 20倍，数值孔径0.4的物镜加装本发明的带有微球的成像辅助装置观察到的校准片光栅的图像。

在图中所示的光栅中，线宽为200纳米，线间距为400纳米。因此，横线的中心间距为600纳米。当入射光是中心波长为550纳米的白光，通过20倍放大倍数，数值孔径为0.4的物镜观测时，整套光学系统的分辨率极值是800纳米。而在同等光照条件下，通过100倍放大倍数，数值孔径为0.8的物镜观测时，整套光学系统的分辨率极值是400纳米。因此，在20倍物镜下，中心间距为600 纳米的光栅中的平行线无法被清晰地观测到，而在100倍物镜下，同样的结构则一览无余，如图16A和16B所示。通过安装本发明的带有微球的成像辅助装置，无需额外的实验条件，20倍物镜同样也能观测到100倍物镜才能观测到的结构，如图16C所示。该结果能与100倍物镜成的像(图16B)媲美。

实验二

本实验采用显微镜的透视模式观察洋葱表皮细胞切片。图17A展示了使用放大倍数20倍，数值孔径0.4的物镜观察到的洋葱表皮细胞图像；图17B展示了使用放大倍数20倍，数值孔径0.4的物镜加装本发明的带有微球的成像辅助装置观察到的洋葱表皮细胞图像；图17C展示了使用放大倍数50倍，数值孔径 0.6的物镜观察到的洋葱表皮细胞图像；图17D展示了使用放大倍数100倍，数值孔径0.9的物镜观察到的洋葱表皮细胞图像。如图所示，采用本发明的带有微球的成像辅助装置可以放大原本的图像并且展示出更多的细节(图17B)，其结果能与50倍甚至100倍物镜的观测结果相媲美。

使用本发明的带有微球的成像辅助装置能够放大图像，但是视场较小。为了得到大范围的图像信息，可以对得到的多幅图像进行拼接融合。图18A展示了显微镜下观测到的单幅图像，图18B展示了将25幅图像初步拼接后得到的结果，图18C展示了使用图像融合算法处理后的图像。图像拼接和融合技术解决了视场过小的问题，因此将本发明与图像拼接和融合技术结合可以得到大面积、超分辨率的图像。

应用

本发明的带有微球的成像辅助装置是将常规光学显微镜升级到纳米级显微镜的低成本转换装置，其有通用性，只需稍加调整，便可适用于各种类型的物镜，从而实现对纳米级样品的实时图像扫描和观察。以下举例说明其在半导体元器件的故障分析和亚细胞活性观察中的应用。

本发明的带有微球的成像辅助装置可以用来检测半导体产品。图19A展示了硬盘磁头在电子显微镜下的图像，图19B展示了相同区域在加装本发明的带有微球的成像辅助装置的常规光学显微镜下的图像。从图中可以看出在磁头处有一条77纳米的间隙，而这样的间隙在普通的光学显微镜下是观察不到的。由此可见，加装了本发明的带有微球的成像辅助装置的常规光学显微镜能用于检测半导体元器件。

本发明的带有微球的成像辅助装置也可以用来检测生物样品。生物样品表面不平整，需要用大直径、长工作距离的微球来进行观测。在此，可以在本发明的成像辅助装置中安装大直径的微球，用来检测不同工作距离下的成像质量。图20A-C分别展示了工作距离为0微米(接触)近距离(30-80微米)和远距离 (80-200微米)时的同一区域的成像效果。如图所示，工作距离越大，图像质量越低。当近距离观测时，所得到的图像依旧清晰。而30-80微米的工作距离大于大部分生物样品的厚度。因此，加装了本发明的带有微球的成像辅助装置的显微镜能够被用来做生物样品检测。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。