[發明專利]光學超分辨快速成像裝置及成像方法

在審

• 申請號: 201710308927.5
• 申請日: 2017-05-04
• 公開（公告）號: CN106940470A
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 陳濤;楊湛;劉會聰;孫立寧;孟凱
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G02B21/00
• 分類號: G02B21/00;G02B21/32;G02B21/34;B25J11/00
• 代理公司: 寧波高新區核心力專利代理事務所(普通合伙)33273
• 代理人: 袁麗花

技術領域

本發明涉及光學成像技術領域，特別是涉及一種光學超分辨快速成像裝置及成像方法。

背景技術

光學顯微鏡具有非接觸、無損傷的特點，可對活體組織對象成像，一直是生物醫學、材料科學等領域的重要研究工具。但隨著生物、醫學等領域的不斷發展，顯微鏡往往被要求納米級別的分辨率，并且能夠觀察100nm以下活體對象的原位動態圖像，從而更好地觀察病毒引起病變與導致死亡的過程。但是傳統光學顯微鏡的成像分辨率受阿貝爾衍射極限的限制，分辨率極限約為200nm，不能滿足上述要求，突破衍射極限光學領域十分重要的一個課題。目前，掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、原子力學顯微鏡(AFM)、近場光學顯微鏡(SNOW)等儀器可以觀察尺寸小于光學衍射極限的物體，但是SEM與TEM需要在真空環境下工作，很難觀察活體樣品，AFM與SNOW無法實時、直接觀察物體，所以以上方法并不適合用來實現活體對象的無損、原位動態觀測。

利用可見光作為光源，獲取的顯微圖像可以同時反映被觀測物體的顏色、透明度等信息，具有直觀性，所以光學顯微的成像手段依舊在顯微觀測領域具有不可替代的地位。因此，基于可見光的超分辨技術的成像方法與裝置，對生物、材料等微觀對象的無損、原位動態檢測等領域的應用具有重要的現實意義。

微球透鏡具有放大效果，并且能夠收集被限制在物體表面近場的倏逝波，為獲取光學超分辨成像的研究提供了一種簡單、實時、直接的方法，按照使用方法的不同可以分為半浸沒法與全浸沒法，如圖1～2所示。2013年，曼徹斯特大學科研團隊將直徑為100μm的BaTiO₃微球透鏡與100×的顯微鏡鏡頭浸沒在水中，可以觀察到75nm的腺病毒，通過理論研究發現微球可以把含有高頻信息的近場倏逝波轉化為傳播波，微球的納米光子噴射能提供足夠的能量將可傳播波傳送到微球外面，而消逝波沒有衍射極限，所以可以在遠場形成超分辨成像。利用微球透鏡超分辨成像的方法具有實驗材料簡便易得、操作過程相對簡單、能夠實時觀測等優點，已經成為光學超分辨顯微成像的研究熱點。

微球透鏡的使用方式是將其播撒在觀察對象的表面，被微球灑落到的區域能夠采集到超分辨圖像，但是，目前的播撒的方式是無序不可控的，無法精確控制微球透鏡的位置對特定樣品區域觀察，難以對樣品連續區域進行觀測，實驗測量結果不易重復，并且灑落的微球可能會破壞樣品表面結構，易造成樣品的損傷與污染。

將微球透鏡封裝在SU-8光刻膠中也是一種對微球透鏡的控制方法，其封裝過程如圖3所示，先制作出一層厚度為h₁的光刻膠，再在已經制作出的光刻膠層上播撒微球透鏡，然后用厚度為h₂的光刻膠層將微球透鏡封裝住。光刻膠可以固定微球的位置，降低了微球分布的無序性；并且封裝有微球的光刻膠薄膜可以被反復多次使用，使實驗具有可重復性；操作光刻膠薄膜的方式也較為方便，只需將光刻膠薄膜貼附在樣片表面上即可。但仍然存在部分問題：制作過程中，光刻膠薄膜厚度不易控制，一旦制成，便無法改變，影響微球透鏡成像效果的調節性；只適用于平面結構，不能三維成像，難以觀察表面起伏的樣品，無法用于觀察活體樣品；微球的分布仍然是分散的，無法對連續區域進行觀測。

因此，針對上述技術問題，有必要提供一種實現樣品任意區域超分辨成像、且避免對樣品表面的損傷光學超分辨快速成像裝置及成像方法。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種光學超分辨快速成像裝置及成像方法，其能夠合理地控制、精確地位移與定位微球透鏡，可實現樣品任意區域超分辨成像，且避免對樣品表面的損傷。

為了實現上述目的，本發明實施例提供的技術方案如下：

一種光學超分辨快速成像裝置，所述光學超分辨快速成像裝置包括：

樣品臺，用于承載待觀察對象；

若干單手操作模塊，包括精密滑臺及固定安裝于精密滑臺上的機械手，所述機械手用于控制微球透鏡對待觀察對象進行觀測，所述精密滑臺用于控制機械手的精確定位與位移；

顯微鏡頭，用于觀察操作過程及成像效果以得到光學超分辨成像信息。

作為本發明的進一步改進，所述樣品臺包括二維運動的XY軸精密滑臺以及固定安裝于XY軸精密滑臺上方的樣品基板。

作為本發明的進一步改進，所述精密滑臺為三維精密滑臺，包括沿X軸運動的X軸精密滑臺、沿Y軸運動的Y軸精密滑臺、以及沿Z軸運動的Z軸精密滑臺。