集成光波导超分辨显微成像系统技术方案

本发明专利技术公开一种集成光波导超分辨显微成像系统，包括：集成波导衬底，中部为放置微纳样品的观察区域，沿所述观察区域向外延伸设置用于对维纳样品进行不同角度照明的若干条形波导，且各条形波导具有控制通光状态的光开关；耦合光源，位于各条形波导的入射端，提供耦合进各条形波导的倏逝场照明光；普通照明源，用于直接照明所述的微纳样品；物镜，用于将普通照明源发出的光聚焦至微纳样品，并收集不同倏逝场波矢照明及普通照明下的样品成像信息；图形处理单元，用于将不同照明条件下的频谱信息恢复到微纳样品原有空间频谱对应位置处，重构获取微纳样品的真实图像。本发明专利技术通过集成光波导与微纳光纤耦合源或LED芯片的结合，可以实现对微纳样品的多波长，多角度照明。

【技术实现步骤摘要】
集成光波导超分辨显微成像系统
本专利技术涉及集成波导光学领域以及超分辨显微成像领域，尤其是涉及一种集成光波导超分辨显微成像系统。
技术介绍
当前，生物医学，微纳加工等领域的发展要求观察的样品尺寸已远远超出传统光学显微成像系统的理论分辨极限，为了能够推动相关产业的发展，必须寻求能够突破阿贝衍射极限的方法。自20世纪90年代以来，研究人员针对纳米分辨技术开始了深入的研究，并且首先在荧光成像技术上实现了突破，提出了多种基于荧光标记的超分辨显微方法。第一类光学显微方法利用荧光分子的光开关效应，采用极低光强的激活光使得同一时间只有极少数稀疏的荧光分子被激活，具备荧光发射能力。主要包括光激活定位显微术(PALM)，光学重构显微技术(STORM)。第二类是基于非线性效应抑制荧光的发射，减小有效荧光点扩散函数的尺寸，从而提高系统的分辨率。StefanHell提出的受激光发射显微技术(STED)正是基于这一原理。此外，还包括光学波动成像法(SOFI)。在荧光显微术飞速发展的同时，研究人员也开始了对非荧光色团的超分辨显微成像技术研究。如结构光照明显微术，微球接触技术，等离子激元表面波，超透镜技术等，以及相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)以及受激拉曼散射(SRS)等非线性技术。同时，基于移频方法的超分辨显微技术也得到了快速发展。但采用荧光标记的方法，面临着样品适用范围窄；标记荧光分子对生物样品具有光毒性等。非标记的远场超分辨显微成像中，结构光照明在非标记条件下分辨能力不足；CARS技术存在非谐振背景噪声问题；SRS技术则面临信息弱，需要同共焦扫描技术结合的弊端。已有的基于移频的超分辨成像方法则都不易于集成，操作过程复杂。一种真正能够实用化的产品必然兼具高的集成化程度以及使用的便捷性。但是，已有的超分辨都需要较庞大的设备和系统，操作复杂。为此，我们提出了一种集成光波导超分辨显微成像系统设计方案，该方法通过将芯片集成与超材料等技术进行有效结合，实现了整个系统的高度集成化，成像系统尺寸可减小至厘米量级。同时，该超分辨系统仅需将样品放置在工作区，通过简单的对焦及位置调整操作便可实现对微纳样品的超分辨观察，大大提高了使用的便捷性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种集成光波导超分辨显微成像系统，通过调制外界微纳耦合光纤光源或者侧面耦合LED芯片，利用条形光波导提供不同角度照明波矢。通过选择不同形貌设计的条形波导结构，与对应的样品槽相匹配，可以满足不同复杂程度微纳样品的观察；通过改变耦合光纤内的输入光波长或者提供LED芯片组合，实现多波长照明，最终实现对微纳样品的频谱信息较为完整的重构。本专利技术的具体技术方案如下：一种集成光波导超分辨显微成像系统设计，包括：集成波导衬底，中部为放置微纳样品的观察区域，沿所述观察区域向外延伸设置用于对维纳样品进行不同角度照明的若干条形波导，且各条形波导具有控制通光状态的光开关；外界耦合光源，位于各条形波导的入射端，提供耦合进各条形波导的照明光；普通照明源，用于直接照明所述的微纳样品；物镜，用于将普通照明源发出的光聚焦至微纳样品，并收集不同波矢照明及普通照明源照明条件下的样品成像信息；管镜，用于将来自物镜的样品成像信息成像到图像显示单元上。图形处理单元，用于将不同照明条件下的频谱信息恢复到微纳样品原有空间频谱对应位置处，重构获取微纳样品的真实图像。作为优选的，所述的观察区域为多边形，条形波导数量与多边形边数相等，各条形波导的出射端分别位于该多边形不同边上；其中，所述的外界耦合光源为光纤光源或者LED芯片光源。本专利技术中，通过刻蚀技术制备特定形貌的条形集成光波导结构，所有条形波导的出射端将分别位于一个正多边形不同边上。当条形波导衬底被放置在系统架构装置内时，通过系统架构装置上的位移装置调整微纳光纤光源的端头位置，使微纳光纤的出射端与条形波导的入射端能够实现有效耦合；或将LED芯片贴合到微纳波导对应的入射端位置，同时将芯片的激发电极引线点好并引出。当不同波长的光被分时耦合进不同的条形波导内时，条形波导内传输的光将分别在正多边形内部激发出倏逝场，这些倏逝场将分别同微纳样品发生相互作用并被散射至远场。通过调整成像接收单元的具体位置，将集成波导衬底上的微纳样品清晰成像于成像显示单元，如CCD，CMOS等成像器件上。利用图像处理程序将不同照明条件下的频谱信息恢复到微纳样品原有空间频谱对应位置处，重构获取微纳样品的真实图像。本专利技术中微纳波导衬底的材料可以选用Si-SiO2-Si3N4/InGaAsP/InP/TiO2/Al2O3等，也可选用聚合物材料。具体材料的选择需与衬底材料相匹配。微纳波导衬底的刻蚀技术可以选用干法刻蚀、湿法刻蚀或者离子束刻蚀等技术。本专利技术中，条形集成光波导的具体尺寸需要通过仿真和后期实验确定最优值。这里需要考虑所用光波长，周围介质材料，预期的条形波导出射端所形成的多边形形状等。比如，预期的多边形边长更多，同时目标样品区域面积没有增大时，条形波导的特征尺寸就需要缩小。本专利技术中的倏逝场耦合光源可以采用以下方式引入条形波导：微纳光纤耦合，LED芯片耦合以及片上集成光源。微纳光纤耦合方式中，可以通过手动或者微纳操作平台的方式拉锥制备微纳光纤。微纳光纤可以采用端面耦合的方式耦合进条形波导，也可在制备条形波导时，预留部分的耦合孔径，后期直接将微纳光纤放置在耦合孔径内进行光的有效耦合传输。此外，微纳光纤也可利用侧面的倏逝场耦合方式，为条形波导提供耦合源。采用光纤耦合的方式，可以方便的提供各种可用光波段的光对微纳样品进行照明，并且不需要改变整个系统的其余部件。采用LED芯片耦合方式，可以采用贴片方式，将不同芯片贴合在条形波导表面或端面。之后，通过电焊机等设备将芯片的电极引出。如果采用片上集成光源，可以直接将片上光源可以集成到条形波导上，实现对条形波导倏逝场源的提供。光纤耦合方式中，可通过分别为每个条形波导配置一个集成的光源，之后通过控制各个光源的开与关来实现各个条形波导的通光情况。也可通过将一个激光光源分别与不同条形波导对应耦合光纤连接的方式，实现对各条形波导通光情况的控制。此外，也可利用光纤分束器，并结合有关的光开关模块，实现对不同条形波导的通光情况的控制。若采用LED芯片，则可以直接通过数字控制各LED芯片的亮暗来控制不同条形波导的通光情况。若采用片上集成光源，则可通过光致或者电致方式实现对各光源发光状态的控制。本专利技术中的普通光源可以选用LED白光照明源或单一波长LED照明源及卤素灯等其他照明源。本专利技术中的物镜和管镜可以采用超材料或自由曲面设计加工制备的超薄透镜组。透镜组需要对象散，畸变等光学参数进行矫正；同时，物镜需要拥有较大的数值孔径NA。本专利技术中的成像显示单元，可以采用电荷耦合元件(CCD)，互补金属氧化物半导体(CMOS)，光电倍增管(PMT)或特制的成像记录现实单元。成像显示单元要求能够具有足够的成像分辨率，能够提供足够高像素的图像。根据具体的应用场景，可以采用彩色或者黑白显示器件。此外，本专利技术中前述的各个部件单元最终都将整合到系统的架构中使用。整个系统的架构将满足一下条件：1.能够实现对集成波导衬底芯片的固定；2.能够对超薄透镜组提供固定以及三维的空间移动；3.能够提供固定CCD，CMOS，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成光波导超分辨显微成像系统，其特征在于，包括：集成波导衬底，中部为放置微纳样品的观察区域，沿所述观察区域向外延伸设置用于对维纳样品进行不同角度照明的若干条形波导，且各条形波导具有控制通光状态的光开关；外界耦合光源，位于各条形波导的入射端，提供耦合进各条形波导的照明光；普通照明源，用于直接照明所述的微纳样品；物镜，用于将照明源发出的光聚焦至微纳样品，并收集不同波矢照明及直接照明下的样品成像信息；图形处理单元，用于将不同照明条件下的频谱信息恢复到微纳样品原有空间频谱对应位置处，重构获取微纳样品的真实图像。

【技术特征摘要】
1.一种集成光波导超分辨显微成像系统，其特征在于，包括：集成波导衬底，中部为放置微纳样品的观察区域，沿所述观察区域向外延伸设置用于对维纳样品进行不同角度照明的若干条形波导，且各条形波导具有控制通光状态的光开关；外界耦合光源，位于各条形波导的入射端，提供耦合进各条形波导的照明光；普通照明源，用于直接照明所述的微纳样品；物镜，用于将照明源发出的光聚焦至微纳样品，并收集不同波矢照明及直接照明下的样品成像信息；图形处理单元，用于将不同照明条件下的频谱信息恢复到微纳样品原有空间频谱对应位置处，重构获取微纳样品的真实图像。2.如权利要求1所述的集成光波导超分辨显微成像系统，其特征在于，所述的观察区域为多边形，条形波导数量与多边形边数相等，各条形波导的出射端分别位于该多边形不同边上。3.如权利要求1所述的集成光波导超分辨显微成像系统，其特征在于，每条条形波导对应设置有一外界耦合光源，或者同一外界耦合光源通过对应耦合光纤连接各条形波导。4.如权利要求1所述的集成光波导超分辨显微成像系统，其特征在于，所述的外界耦合光源为光纤光源或者LED芯片光源。5.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨青，庞陈雷，汤明炜，徐雪初，刘小威，刘旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33