基于微透镜修饰探针的光学超分辨率动态成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于微透镜的超分辨率光学显微和扫描探针显微融合技术的系统，具体地说是利用微透镜和带有扫描探针反馈控制机制的显微镜实现超分辨率动态光学显微观测成像，并可以实现宏、微、纳无缝观测，以及具有实时视觉反馈的纳米操作。主要用于需要纳米级超分辨率实时动态观测和操作领域，包括材料、生命科学等各个领域。
【背景技术】
[0002]19世纪末，德国科学家恩斯特.阿贝对光学显微镜的分辨率做出了界定，认为是光波长的一半，即约为0.2微米，这就是著名的光学衍射极限。20世纪的绝大多数时间里，科学家们都相信光学显微成像技术将永远无法突破衍射极限的限制。但是随着科学研宄的深入，特别是在生物科学领域，人们早已开始了对细胞内部结构的研宄，因此需要对细胞内部的组织结构进行活体观测。电子显微镜只能观测细胞干燥的死亡细胞表面，不能观测活体细胞内部结构。近些年来，基于不同原理的光学超分辨率显微镜被提出，常见的包括:4pi显微镜，I5M显微镜，受激发射损耗显微镜和扫描近场光学显微镜，但是这些显微镜在使用过程中具有一些共同的限制:1)逐点扫描，效率低；2)不能实时成像；3)大多只能用于荧光成像；4)有些需要复杂的后续图像处理等。
[0003]基于扫描探针类显微镜(原子力显微镜，扫描隧道显微镜，扫描离子电导显微镜)自诞生以来因其纳米级分辨率就获得了广泛的关注和发展，但是因其扫描范围小和成像速度慢，并且在观测之前无法对纳米尺度物体进行视觉定位，在纳米操作过程中无法进行视觉反馈，因此在一定程度上限制了其更广泛的应用。
【实用新型内容】
[0004]针对现有技术的上述不足之处，本实用新型的目的是提供基于微透镜的光学超分辨率动态成像系统，从而实现超高分辨率动态光学显微成像；解决扫描探针类显微镜的视觉定位观测和对纳米操作目标进行操作时实时视觉反馈问题。
[0005]本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是:基于微透镜修饰探针的光学超分辨率动态成像系统，包括扫描探针显微镜和微透镜；所述扫描探针显微镜的探针上设有微透镜，扫描探针显微镜的纳米定位机构上设有样品台，扫描探针显微镜的光学显微镜位于探针以及样品台上方。
[0006]所述微透镜设置于探针末端。
[0007]所述微透镜最底端位置低于探针针尖位置，或者高于探针针尖位置的距离小于I微米。
[0008]所述扫描探针显微镜中光学显微镜的物镜放大倍数大于等于20倍。
[0009]所述扫描探针显微镜采用原子力显微镜，原子力显微镜中光学显微镜的物镜和镜筒间设有光路结构。
[0010]所述光路结构为反射镜或分束器。
[0011]所述光路结构还包括偏振分束器、四分之一波片；所述偏振分束器、四分之一波片依次设于反射镜或分束器与激光器之间。
[0012]所述光路结构还包括凸透镜，凸透镜设置于偏振分束器与四象限光电传感器之间。
[0013]本实用新型具有以下有益效果及优点:
[0014]1、本实用新型采用微透镜打破了光学衍射极限，在自然光照条件下，利用普通光学显微镜就能实现纳米级的分辨率，为实现活体细胞内部纳米结构的观测研宄提供了有效技术手段，并且将扫描探针技术和微透镜显微技术相融合还能实现超分辨率动态光学显微成像，为扫描探针显微镜提供视觉定位观测和实时视觉反馈纳米操作，拓展扫描探针显微镜的纳米观测成像及纳米操作能力。
[0015]2、构建基于光学显微镜成像、基于微透镜的超分辨率成像和扫描探针类显微镜成像的宏、微、纳无缝观测。针对待观测的纳米尺度目标，可以先利用光学显微镜锁定待观测目标的大致位置，再利用微透镜进行超分辨率动态观测成像，实现观测目标的初步定位，最后利用扫描探针类显微镜探针进行精细扫描观测成像，从而实现宏、微、纳无缝定位观测。
[0016]3、本实用新型可以有效解决扫描探针类显微镜在扫描成像初期对纳米物体进行视觉观测定位问题，以及纳米操作时的实时视觉反馈问题，提高纳米观测和纳米操作的效率和成功率。
[0017]4、在对纳米操作对象进行实时成像时无需额外对样品进行修饰，因而不局限于荧光成像，成像范围不受待观测物体的自身属性限制。
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型的系统结构原理示意图；
[0019]图2为基于原子力显微镜的微球超分辨率光学成像系统结构原理图；
[0020]图3为微透镜远离样品时在光学显微镜下的图像；
[0021]图4为栅格(宽150nm，间距150nm，高度为15nm)超分辨率光学图像；
[0022]其中I是扫描探针显微镜，2是探针，3是微透镜，4是光学显微镜，5是样品台，6是纳米定位机构，7是微动机构；8是激光器，9是激光，10是偏振分束器，11是四分之一波片，12是反射镜或分束器，13是物镜，14是镜筒，15是相机，16是凸透镜，17是四象限光电传感器，18是控制器，19是计算机，20是光路结构。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
[0024]本实用新型将微透镜超分辨率显微镜技术与扫描探针类显微镜技术进行有效融合，实现新的纳米观测成像系统，其实现方法如下。
[0025]首先利用微透镜对扫描探针类显微镜的探针(如原子力显微镜的探针、扫描离子电导显微镜的毛细管以及扫描隧道显微镜)进行修饰，即将微透镜固定于探针的合适位置。其次，根据扫描探针显微镜技术和微透镜显微成像技术构建微球超分辨率光学成像系统。然后将微透镜修饰后的探针固定于超分辨率观测系统上进行扫描，根据扫描探针显微镜的反馈控制机理实现探针与样品的距离控制，并对样品表面进行动态扫描。最后利用扫描探针类显微镜自带的光学显微镜相机对微透镜显示的超分辨率图像进行实时数据采集成像，就可以获得动态的超分辨率视觉图像。
[0026]系统结构设计如图1?2所示。主要包括探针2，微透镜3，样品台5，纳米定位机构6，微动机构7，激光器8，激光9，偏振分束器10，四分之一波片11，反射镜或分束器12，物镜13，镜筒14，相机15，凸透镜16，四象限光电传感器17，控制器18，计算机19。
[0027]其中纳米定位机构6可以是纳米定位平台，也可以是具有纳米定位能力的压电陶瓷管，以及其它具有纳米定位能力的运动机构。纳米定位机构6至少要有竖直方向(Z方向)的位置定位能力。
[0028]其中微动机构7是具有微米或亚微米定位能力的大范围运动平台，运动范围一般在1mm以上。根据系统的设计结构，微动机构7可以是一个三维的微动机构；微动机构7也可以是一个二维(X、Y方向)的运动机构，第三维(Ζ方向)用于固定光学显微镜。
[0029]其中带扫描的样品要置于样品台上，样品台5置于三维纳米运动机构6上，三维纳米运动机构6置于微动机构7上。这样的机构保证了在动态扫描成像时，光学显微镜物镜和探针的相对位置固定不变，实现微透镜超分辨率稳定成像。原子力显微镜一个重要的组成部分就是光路系统的设计。相对于传统原子力显微镜所要求的10倍或20倍物镜，微透镜成像要求40倍以上的高倍物镜，因此光学显微镜工作距离短，并且还要满足一定的光杠杆放大倍数。考虑到这些要求，本实用新型设计了一套有效的激光光路，如图2所示框图20内所不的部分。在原子力显微镜中光学显微镜4的物镜13和镜筒14间设有光路结构。光路结构包括偏振分束器10、四分之一波片11、反射镜或分束器12、凸透镜16 ;激光器8、偏振分束器10、四分之一波片11、反射镜或分束器12依次设置，反射镜或分束器12设于物镜13和镜筒14之间；偏振分束器10的竖直方向上依次设有凸透镜16、四象限光电传感器17，四象限光电传感器17与控制器18连接。偏振分束器10内的分束面和反射镜或分束器12镜面平行。反射镜或分束器12的输出光路的光轴垂直于样品台平面。
[0030]其中激光器8是红光激光器，激光器所发射的激光9经过偏振分束器10后只剩平行偏振激光，平行偏振光经过四分之一波片11后转换成圆偏振光，此后圆偏振光依次经过反射镜或分束器12和物镜13聚焦到探针2的悬臂梁反射面上后反射的激光依次经过物镜13和反射镜或分束器12，再次经过四分之一波片11后转换成了垂直偏振光，这时垂直偏振光经过偏振分束器10的反射后经过凸透镜16投射到四象限光电传感器17上。镜筒14采用无限共轭镜筒，相机15采集到微透镜所呈现的光学图像。反射镜12采用红光反射镜。
[0031]扫描探针显微镜I的控制器18功能和传统原子力显微镜一样，用于四象限光电传感器17的信号处理、系统控制、纳米定位机构6和微动机构7的运动控制等，计算机19用于系统监控、相机15的视觉图像显示及探针扫描数据的图形显示等功能。
[0032]本系统的微透镜与普通光学显微镜组合能够打破光学衍射极限，实现超分辨率光学成像。将微透镜超分辨率光学显微技术与扫描探针显微镜技术实现有效融合，利用微透镜对扫描探针类显微镜的探针(如原子力显微镜的探针、扫描离子电导显微镜的毛细管)进行修饰，通过扫描探针类显微镜的反馈控制机制实现微透镜与样品的距离控制，通过控制扫描探针类显微镜的扫描机制使微透镜与样品产生相对运动，实现动态观测成像。另外，微透镜超分辨率光学显微技术与扫描探针显微镜技术实现有效融合，将实现宏、微、纳无缝观测，及具有实时视觉反馈的纳米操作。
[0033]超分辨率成像是指打破光学衍射极限，所使用的微透镜具有超分辨能力。
[0034]微透镜对扫描探针类显微镜的探针进行修饰是指将微透镜固定于扫描探针类显微镜探针合适位置上。
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