基于微透镜修饰探针的光学超分辨率动态成像系统技术方案

本实用新型专利技术涉及基于微透镜修饰扫描探针的光学动态成像系统，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。本实用新型专利技术能够实现光学超分辨率动态观测成像，并且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，从而提高纳米观测和纳米操作的效率。

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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。但是随着科学研究的深入，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究，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。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。
技术实现思路
针对现有技术的上述不足之处，本技术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。本技术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。所述微透镜设置于探针末端。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1微米。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。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。所述光路结构为反射镜或分束器。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。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。本技术具有以下有益效果及优点：1、本技术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究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。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。3、本技术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。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。附图说明图1为本技术的系统结构原理示意图；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；图3为微透镜远离样品时在光学显微镜下的图像；图4为栅格(宽150nm，间距150nm，高度为15nm)超分辨率光学图像；其中1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。具体实施方式下面结合附图及实施例对本技术做进一步的详细说明。本技术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。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。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。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。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10mm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(Z方向)用于固定光学显微镜。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。...

【技术保护点】
基于微透镜修饰探针的光学超分辨率动态成像系统，其特征在于：包括扫描探针显微镜(1)和微透镜(3)；所述扫描探针显微镜(1)的探针(2)上设有微透镜(3)，扫描探针显微镜(1)的纳米定位机构(6)上设有样品台(5)，扫描探针显微镜(1)的光学显微镜(4)位于探针(2)以及样品台上方。

【技术特征摘要】
1.基于微透镜修饰探针的光学超分辨率动态成像系统，其特征在于：包括扫描
探针显微镜(1)和微透镜(3)；所述扫描探针显微镜(1)的探针(2)上设有
微透镜(3)，扫描探针显微镜(1)的纳米定位机构(6)上设有样品台(5)，
扫描探针显微镜(1)的光学显微镜(4)位于探针(2)以及样品台上方。
2.根据权利要求1所述的基于微透镜修饰探针的光学超分辨率动态成像系统，
其特征在于所述微透镜(3)设置于探针(2)末端。
3.根据权利要求1所述的基于微透镜修饰探针的光学超分辨率动态成像系统，
其特征在于所述微透镜(3)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1微米。
4.根据权利要求1所述的基于微透镜修饰探针的光学超分辨率动态成像系统，
其特征在于所述扫描探针显微镜(1)中光学显微镜(4)的物镜放大倍数大于
等于20倍。
5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘连庆，王飞飞，于鹏，李文荣，刘柱，王越超，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：新型
国别省市：辽宁;21