光学超分辨快速成像装置的制作方法

本实用新型涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种光学超分辨快速成像装置。

背景技术：

光学显微镜具有非接触、无损伤的特点，可对活体组织对象成像，一直是生物医学、材料科学等领域的重要研究工具。但随着生物、医学等领域的不断发展，显微镜往往被要求纳米级别的分辨率，并且能够观察100nm以下活体对象的原位动态图像，从而更好地观察病毒引起病变与导致死亡的过程。但是传统光学显微镜的成像分辨率受阿贝尔衍射极限的限制，分辨率极限约为200nm，不能满足上述要求，突破衍射极限光学领域十分重要的一个课题。目前，扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力学显微镜(AFM)、近场光学显微镜(SNOW)等仪器可以观察尺寸小于光学衍射极限的物体，但是SEM与TEM需要在真空环境下工作，很难观察活体样品，AFM与SNOW无法实时、直接观察物体，所以以上方法并不适合用来实现活体对象的无损、原位动态观测。

利用可见光作为光源，获取的显微图像可以同时反映被观测物体的颜色、透明度等信息，具有直观性，所以光学显微的成像手段依旧在显微观测领域具有不可替代的地位。因此，基于可见光的超分辨技术的成像方法与装置，对生物、材料等微观对象的无损、原位动态检测等领域的应用具有重要的现实意义。

微球透镜具有放大效果，并且能够收集被限制在物体表面近场的倏逝波，为获取光学超分辨成像的研究提供了一种简单、实时、直接的方法，按照使用方法的不同可以分为半浸没法与全浸没法，如图1～2所示。2013年，曼彻斯特大学科研团队将直径为100μm的BaTiO₃微球透镜与100×的显微镜镜头浸没在水中，可以观察到75nm的腺病毒，通过理论研究发现微球可以把含有高频信息的近场倏逝波转化为传播波，微球的纳米光子喷射能提供足够的能量将可传播波传送到微球外面，而消逝波没有衍射极限，所以可以在远场形成超分辨成像。利用微球透镜超分辨成像的方法具有实验材料简便易得、操作过程相对简单、能够实时观测等优点，已经成为光学超分辨显微成像的研究热点。

微球透镜的使用方式是将其播撒在观察对象的表面，被微球洒落到的区域能够采集到超分辨图像，但是，目前的播撒的方式是无序不可控的，无法精确控制微球透镜的位置对特定样品区域观察，难以对样品连续区域进行观测，实验测量结果不易重复，并且洒落的微球可能会破坏样品表面结构，易造成样品的损伤与污染。

将微球透镜封装在SU-8光刻胶中也是一种对微球透镜的控制方法，其封装过程如图3所示，先制作出一层厚度为h₁的光刻胶，再在已经制作出的光刻胶层上播撒微球透镜，然后用厚度为h₂的光刻胶层将微球透镜封装住。光刻胶可以固定微球的位置，降低了微球分布的无序性；并且封装有微球的光刻胶薄膜可以被反复多次使用，使实验具有可重复性；操作光刻胶薄膜的方式也较为方便，只需将光刻胶薄膜贴附在样片表面上即可。但仍然存在部分问题：制作过程中，光刻胶薄膜厚度不易控制，一旦制成，便无法改变，影响微球透镜成像效果的调节性；只适用于平面结构，不能三维成像，难以观察表面起伏的样品，无法用于观察活体样品；微球的分布仍然是分散的，无法对连续区域进行观测。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种实现样品任意区域超分辨成像、且避免对样品表面的损伤光学超分辨快速成像装置。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种光学超分辨快速成像装置，其能够合理地控制、精确地位移与定位微球透镜，可实现样品任意区域超分辨成像，且避免对样品表面的损伤。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供的技术方案如下：

一种光学超分辨快速成像装置，所述光学超分辨快速成像装置包括：

样品台，用于承载待观察对象；

若干单手操作模块，包括精密滑台及固定安装于精密滑台上的机械手，所述机械手用于控制微球透镜对待观察对象进行观测，所述精密滑台用于控制机械手的精确定位与位移；

显微镜头，用于观察操作过程及成像效果以得到光学超分辨成像信息。

作为本实用新型的进一步改进，所述样品台包括二维运动的XY轴精密滑台以及固定安装于XY轴精密滑台上方的样品基板。

作为本实用新型的进一步改进，所述精密滑台为三维精密滑台，包括沿X轴运动的X轴精密滑台、沿Y轴运动的Y轴精密滑台、以及沿Z轴运动的Z轴精密滑台。

作为本实用新型的进一步改进，所述机械手包括固定底座、固定于固定底座上的微型针管、填充于微型针管内的温敏凝胶、位于微型针管内用于挤出或吸入温敏凝胶的活塞、固定安装于微型针管上用于对温敏凝胶进行加热的电热阻丝，所述温敏凝胶根据自身的温度实现固-液态之间的转变，微型针管利用端部溢出的温敏凝胶对微球透镜进行控制。

作为本实用新型的进一步改进，所述机械手还包括与微型针管导热连接的温度传感器，根据温度传感器判断温敏凝胶的温度大于或小于其转变温度。

作为本实用新型的进一步改进，所述机械手还包括固定于微型针管内的压电陶瓷，所述压电陶瓷固定于活塞和固定底座之间，压电陶瓷根据施加的电信号伸长或收缩以驱动活塞在微型针管内运动。

本实用新型的有益效果是：

通过三维精密滑台控制微球，操作方便、灵活；可以调节微球到待观察对象表面的距离，调节超分辨成像效果，同时可以控制微球沿着待观察对象表面扫描观察，实现三维成像；多机械手协调操作，可对连续区域显微成像，提高实验效率；通过扫描成像的方式，可以对大面积区域进行观察。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中半浸没法光学超分辨成像示意图；

图2为现有技术中全浸没法光学超分辨成像示意图；

图3为现有技术中光刻胶封装微球透镜示意图；

图4为本实用新型第一实施方式中机械手的立体结构示意图；

图5为本实用新型第一实施方式中机械手拾取并固定微球透镜的原理图；

图6为本实用新型第二实施方式中光学超分辨快速成像装置的立体结构示意图；

图7为本实用新型第二实施方式中光学超分辨快速成像装置的俯视结构示意图；

图8为本实用新型第二实施方式中光学超分辨快速成像装置的另一立体结构示意图；

图9为本实用新型第二实施方式中单指操作模块的立体结构示意图；

图10为本实用新型第二实施方式中样品台的立体结构示意图；

图11为本实用新型第二实施方式中的三维成像过程示意图；

图12为本实用新型第二实施方式中的扫描成像原理图；

图13a为本实用新型第二实施方式中的四微球透镜阵列组合电镜图；

图13b为本实用新型第二实施方式中的四微球透镜阵列扫描成像电镜图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

参图4、图5所示，本实用新型第一实施方式中公开了一种用于超分辨成像的机械手，该机械手10包括：固定底座11、固定于固定底座上的微型针管12、填充于微型针管内的温敏凝胶13、位于微型针管内用于挤出或吸入温敏凝胶的活塞14、固定安装于微型针管上用于对温敏凝胶进行加热的电热阻丝15，温敏凝胶13根据自身的温度实现固-液态之间的转变，微型针管12利用端部溢出的温敏凝胶对微球透镜进行控制。

进一步地，本实施方式中机械手还包括与微型针管12导热连接的温度传感器16，以及固定于微型针管12内的压电陶瓷17。温度传感器16用于获取温敏凝胶13的温度以判断该温度与固-液转变温度的大小关系。压电陶瓷17固定于活塞14和固定底座11之间，压电陶瓷17根据施加的电信号伸长或收缩以驱动活塞14在微型针管12内运动。

本实施方式中的温敏凝胶13包括两种状态：

第一状态，温敏凝胶的温度大于转变温度时呈液态，液态的温敏凝胶具有粘附性，利用液态的温敏凝胶粘附微球透镜；

第二状态，温敏凝胶的温度小于转变温度时呈固态，固态的温敏凝胶对粘附于其上的微球透镜产生紧固作用。

具体地，本实施方式中的固定底座11包括用于固定安装的第一固定部111、与第一固定部平行的第二固定部112、以及两个连接第一固定部和第二固定部的连接部113，第二固定部上设有通孔(未标号)，微型针管12贯穿第二固定部112上的通孔且与第一固定部111固定安装。

微型针管12包括圆筒状的第一部121及圆锥状的第二部122，第一部121和第二部122固定且相互连通设置，第一部121固定安装于固定底座11上，第二部122的顶端具有开口。且第一部121和第二部122之间具有一呈钝角的夹角，且第二部122沿第一部121向下弯折设置。

相应地，本实施方式中一种用于超分辨成像的机械手的操作方法，包括：

S1、利用电热阻丝加热温敏凝胶，使温敏凝胶的温度大于转变温度呈液态，对压电陶瓷施加电信号使压电陶瓷伸长以驱动微型针管内的活塞，将微型针管内的温敏凝胶推出，利用液态的温敏凝胶粘附微球透镜；

S2、停止电热阻丝对温敏凝胶的加热，使温敏凝胶的温度冷却至小于转变温度呈固态，固态的温敏凝胶对粘附于其上的微球透镜产生紧固作用，通过机械手对微球透镜进行操作。

进一步地，该操作方法还包括：

S3、操作结束后利用电热阻丝加热温敏凝胶，使温敏凝胶的温度大于转变温度呈液态，去除对压电陶瓷施加的电信号，压电陶瓷收缩为初始状态，带动活塞后移，将温敏凝胶被吸入微型针管内。

在本实用新型的一具体实施例中，机械手的微型针管12由激光复热拉伸技术制成，微型针管12被固定安装在固定底座11上，微型针管12中充填有温敏凝胶13，温敏凝胶13会根据自身的温度实现固-液态之间的转变，转变温度约为20℃，温敏凝胶13受热处于液态时具有粘附性，利用液态凝胶粘附微球透镜，冷却后产生紧固作用从而实现“拾取”微球透镜。

利用机械手拾取微球透镜时，先利用电热阻丝15加热温敏凝胶13，使温度达到20℃以上，使其变为液态，用温度传感器16控制加热温度，再给压电陶瓷17施加电信号，使压电陶瓷17产生伸长变形，活塞14被推移向前，将温敏凝胶13从微型针管12推出，利用溢出的温敏凝胶粘附微球透镜，停止电热阻丝15对温敏凝胶13的加热，待温敏凝胶13冷却至室温(低于20℃)，温敏凝胶转变为固态，对粘附于其上的微球透镜产生紧固作用，从而“夹紧”微球，在此之后，便可以通过机械手对微球透镜完成拾取与移动等操作。

由于温敏凝胶13与微球透镜连接部分的面积很小，对通过微球透镜的光路影响很小，所以对光学超分辨成像的效果影响很小。使用温温敏凝胶“夹持”微球透镜，可靠性较高，可以突破液体的表面张力，实现对微球透镜的跨介质操作；同时，微型针管的结构，在进入液体后不易产生变形，稳定性高。

当操作结束后，继续利用电热阻丝15加热温敏凝胶13，使其转变为液态，具有流动性，不再对微球透镜产生紧固作用，微球透镜可以很容易地从温敏凝胶13上取下，停止对压电陶瓷17的供电，使它的形状收缩为初始状态，带动活塞14后移，同时温敏凝胶13被吸入微型针管12内。使用温敏凝胶操作微球，可以实现微球透镜的快速更换。

本实施方式中温敏凝胶的溢出量由压电陶瓷的伸长量控制，该机械手可以根据不同尺寸的微球透镜，精确控制溢出的温敏凝胶，实现在能够稳定拾取微球的同时，使温敏凝胶的溢出量最少，从而减小微球透镜与温敏凝胶之间的粘附面积，较少对成像效果的影响。

温敏凝胶的控制方式，使得更换微球透镜的操作十分快捷方便，并且使用过程不会对微球产生损伤，所使用的微球可以被重复使用。

该操作手能够操作直径50μm以下的微球透镜等小尺寸微对象，小尺寸的微球透镜具有更好的成像效果。

机械手这种凝胶的操作方式，可以对微球透镜进行快捷的拾取和释放，而且凝固后微球透镜的粘接度很牢，观察时不容易掉，适合在液体中观察对象，现有技术中真空吸附的方式就不适合在液体里进行观察。

由该实施方式可以看出，通过温敏凝胶来夹取微球透镜，不会对微球产生损伤，微球透镜可重复利用；机械手加持效果可靠，可以克服液体的表面张力实现跨介质操作，微型针管刚度足够，受液体表面张力产生的变形小；通过温度控制温敏凝胶的状态，简单方便；使用压电陶瓷控制温敏凝胶的溢出量，精确可靠；机械手能够操作尺寸很小的对象，微球透镜尺寸越小，超分辨成像效果越好；使用时能够避免对样品造成损伤。

参图6～图10所示，本实用新型第二实施方式中还公开了一种光学超分辨快速成像装置，该光学超分辨快速成像装置包括：

样品台2，用于承载待观察对象；

若干单手操作模块1，包括精密滑台及固定安装于精密滑台上的机械手，机械手用于控制微球透镜对待观察对象进行观测，精密滑台用于控制机械手的精确定位与位移；

显微镜头3，用于观察操作过程及成像效果以得到光学超分辨成像信息。

优选地，样品台2包括二维运动的XY轴精密滑台22以及固定安装于XY轴精密滑台上方的样品基板21。

优选地，单手操作模块1中的精密滑台为三维精密滑台，包括沿X轴运动的X轴精密滑台11、沿Y轴运动的Y轴精密滑台12、以及沿Z轴运动的Z轴精密滑台13，机械手固定安装于该三维精密滑台上。

本实施方式中的机械手包括固定底座、固定于固定底座上的微型针管、填充于微型针管内的温敏凝胶、与微型针管导热连接的温度传感器、位于微型针管内用于挤出或吸入温敏凝胶的活塞、固定于微型针管内的压电陶瓷、固定安装于微型针管上用于对温敏凝胶进行加热的电热阻丝，所述温敏凝胶根据自身的温度实现固-液态之间的转变，微型针管利用端部溢出的温敏凝胶对微球透镜进行控制。该机械手与前述实施方式图4、图5中的机械手完全相同，此处不再进行赘述。

优选地，本实施方式中的成像装置包括四个均匀分布于样品台四周单手操作模块，当然，在其他实施方式中单手操作模块也可以设置为其他数量，排布方式也可以根据需要进行不同设计。

相应地，本实施方式中一种光学超分辨快速成像装置的成像方法，包括：

控制三维精密滑台和样品台，使机械手的端部位于样品台上待观察对象上方；

驱动三维精密滑台上的机械手的顶端拾取并固定微球透镜；

若干机械手相互之间协作，利用三维精密滑台控制微球透镜与待观察对象之间的距离，通过显微镜头扫描待观察对象连续区域以进行三维成像。

其中，利用三维精密滑台控制微球透镜包括：

控制Z轴精密滑台，调整微球透镜到待观察对象表面的距离，使成像变清晰，从而观测到表面非平面的样品；和/或

控制X轴精密滑台和Y轴精密滑台，使微球透镜在待观察对象表面进行二维运动，对待观察对象表面进行扫描。

进一步地，该成像方法还包括：

扫描结束后，将显微镜头采集到的图像拼接在一起，得到待观察对象表面完整的光学超分辨成像信息。

对于微球透镜的拾取和固定详参第一实施方式，此处不再进行详细说明。

机械手安装在三维精密滑台上，通过控制三维精密滑台可以实现机械手的精确定位与位移，可以精确移动与定位微球透镜的位置，从而对待观察对象表面特定的区域进行观察。操作时只需控制滑台便可以移动操作手，操作方式方便。被观察对象放置在样品台2的样品基板21上，样品基板21安装在XY轴精密滑台22上。样品台周围安装有4个单手操作模块，样品台上方有显微镜头用来观察操作过程及成像效果，每个单手操作模块都可以控制一个微球透镜，相互之间协作，利用三维精密滑台控制微球透镜与待观察对象之间的距离，实现样品连续区域的三维成像。

对于表面起伏(非平面)的观察对象，可以通过控制Z轴精密滑台13，调整微球透镜到待观察对象表面的距离，使成像变清晰，从而观测到表面非平面的样品，其过程如图11所示。四操作手协调控制，调节每个操作手的微球到待观察对象表面的距离，便可以实现三维成像。

当需要观测大面积待观察对象表面时，通过扫描待观察对象表面的方式进行观测，其原理如图12所示。通过三维精密滑台移动微球透镜来扫描待观察对象表面，上方的显微镜头也随之移动，通过工业相机记录不同位置时的成像信息，当扫描结束时，将采集到的图像拼接在一起，便可以得到样品表面完整的光学超分辨成像信息。

操作平台上安装有四只机械手，四机械手同时协作，根据不同的待观察对象，可以将每个机械手顶端的微球透镜以合适的方式排列在一起，从而观察到样品表面连续的区域，提高灵活度高。利用多手配合对待观察对象进行扫描成像时，可以大幅度提高扫描效率，图13a、13b为多微球透镜阵列的扫描成像示意图，利用机械手将微球透镜组合为图13a所示的效果，再让微球透镜沿着扫描方向移动，当移动的距离为两个微球直径时，微球透镜扫过的面积如图13b所示，其单位时间内扫描的面积为单指扫描时的四倍，大幅提高了扫描成像的效率。

本实施方式中的微球透镜不是散落在样品上的，而是通过机械手操作微球透镜对样品进行观察，可以控制微球透镜的观察路径和观察区域，组成阵列看一个较大的区域，提高了效率。另外，待观察对象是高低不平时，通过机械手可以调整观察的轨迹，沿着对象表面三维轮廓扫描，提高图像清晰度，实现超分辨观察。这种自动化观察是对象的原位光学观察，不需要对被测对象进行处理，不破坏被测对象，与SEM不同，SEM观察都是要对被测对象进行处理的，容易对样品造成损伤。

由该实施方式可以看出，通过三维精密滑台控制微球，操作方便、灵活；可以调节微球到待观察对象表面的距离，调节超分辨成像效果，同时可以控制微球沿着待观察对象表面扫描观察，实现三维成像；多机械手协调操作，可对连续区域显微成像，提高实验效率；通过扫描成像的方式，可以对大面积区域进行观察。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。