基于微纳米透镜阵列的高速光学超分辨率成像系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统,包括光学显微镜、精密运动平台、微纳米透镜阵列和两个纳米微球。所述精密运动平台位于所述光学显微镜的粗调平台上，所述精密运动平台上设有样品台，样品置于所述样品台上方；所述微纳米透镜阵列倒置于所述样品和所述光学显微镜的物镜之间；所述两个纳米微球分别位于所述样品上表面和所述微纳米透镜阵列下表面。方法包括：纳米微球的光学图像用于实时测量样品与透镜阵列的相对位置并实时反馈；光学显微镜获取到微纳米透镜阵列成像后发送至计算机处理及显示。本发明专利技术能实现超分辨率光学成像，并解决透镜阵列与样品的相对位置测量问题，同时能实现大范围扫描成像，显著提高成像效率。

【技术实现步骤摘要】
基于微纳米透镜阵列的高速光学超分辨率成像系统和方法
本专利技术涉及一种基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统和方法，具体说是利用纳米微球的光学图像实现样品与透镜之间的位置反馈，利用微纳米透镜阵列实现高效率的超分辨率光学成像。主要用于微纳科技、生物医学研究领域。
技术介绍
随着微纳米科学与生物医学研究领域向更加微观层次的发展，人们对高分辨率的显微成像技术的要求也变得越来越高。目前的高分辨率成像方法主要包括电子显微成像，扫描隧道显微成像，原子力显微以及近年来获得广泛关注的超分辨率光学显微成像技术。其中，SEM和STM需要先对样品进行切片、脱水镀金等复杂操作，且测试环境较为苛刻(真空和低温)。AFM通过探针间接对样品形貌进行观测，易引入图像形貌误差和测量假象且成像速率低，对于被测目标(如活体细胞)动态过程的捕捉能力差。近年来发展起来的超分辨率光学显微成像技术包括基于分子激发的荧光显微镜法、等离子体激发法、近场扫描显微镜法以及微纳米透镜显微成像法。其中，基于分子激发的荧光显微镜法和等离子体激发法都需要高强度的激发光照射样品，不利于针对活体细胞的成像。近场扫描显微镜法利用微纳光纤探针在近场范围内进行逐点扫描成像效率低、成像所需时间长且光纤探针易损坏的问题限制了其使用广度。目前基于微纳米透镜的光学成像显微镜采用的是在原子力显微镜探针粘一个微球，利用微球作为微纳米透镜进行扫描式成像，但此方法成像效率低，且需要结合原子力显微镜的核心系统，原子力显微镜设备昂贵，结构复杂，不利于其广泛应用。基于微纳米透镜阵列，结合视觉传感的微球定位技术，只需使用普通的光学显微镜、精密运动平台、高速相机等常用设备可实现高速超分辨率光学成像。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统和方法，从而实现高速的超分辨率光学成像；同时基于视觉传感解决微纳米透镜与待测样品之间的位置反馈问题。为实现上述目的，本专利技术包括：基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统，其特征在于：包括光学显微镜、精密运动平台、微纳米透镜阵列和两个纳米微球。所述精密运动平台位于所述光学显微镜的粗调平台上，所述精密运动平台上设有样品台，样品置于所述样品台上方；所述微纳米透镜阵列倒置于所述样品和所述光学显微镜的物镜之间；所述两个纳米微球分别位于所述样品上表面和所述微纳米透镜阵列下表面。所述光学显微镜为反射式正置光学显微镜,在所述光学显微镜中，物镜上方装有单轴精密运动单元，通过螺纹紧固连接；所述单轴精密运动单元固定在透镜阵列安装架上，通过螺纹紧固连接；所述透镜阵列安装架固定在显微镜镜架上，通过螺纹紧固连接。所述微纳米透镜阵列倒置粘贴在所述透镜阵列安装架底端，通过双面胶带进行紧固。所述微纳米透镜阵列的透镜底端与所述样品之间的距离可通过所述粗调平台和所述精密运动平台进行控制，可控制在0到几微米之间。所述粗调平台和所述精密运动平台各具有3个自由度。基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像方法，其特征在于包括以下步骤：人工调整所述粗调平台，使所述显微镜视场内能同时出现所述两个纳米微球的离焦图像；计算机通过所述两个纳米微球的显微离焦图像实时计算并反馈所述样品与所述微纳米透镜阵列的相对位置；所述精密运动平台使所述样品下降到所述微纳米透镜阵列的近场范围内，并水平移动到所述样品待测区域；所述精密运动单元控制所述物镜，使所述物镜的焦点位于所述微纳米透镜阵列的焦平面内；高速相机将所述光学显微镜获取的所述微纳米透镜阵列所成的超分辨率图像传送至所述计算机中进行处理及显示。所述微纳米透镜阵列中的每个微纳米透镜同时对所述样品的不同位置进行成像，控制所述精密运动平台实现扫描运动，显著提高超分辨率光学成像效率。本专利技术具有以下优点：1、本专利技术采用的微纳米透镜阵列能够打破光学衍射极限并能显著提高光学成像效率，结合精密运动平台进行扫描运动，可实现高速，大范围的可控成像。2、本专利技术采用纳米微球视觉定位技术，解决了微纳米透镜与样品之间位置的实时反馈问题，结合普通光学显微镜以及高速相机就能实现，无需额外的设备，结构简单。3、本专利技术无需对样品进行额外操作即能成像，对样品没有侵入性且通用性好。附图说明图1为本专利技术的系统结构原理图；具本实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术结合了基于视觉传感的精密定位技术与基于微纳米透镜阵列的超分辨率成像技术，实现高速可控的超分辨率成像系统，其结构如图1所示。本专利技术的基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统主要包括光学显微镜1，精密运动平台2，微纳米透镜阵列3，纳米微球4，纳米微球5，物镜6，粗调平台7，光源8，样品台9，单轴精密运动单元10，透镜阵列安装架11，样品12，高速相机13，控制器14，控制器15，计算机16，显微镜镜架17。其中，物镜6，粗调平台7，光源14和显微镜镜架17为光学显微镜1的组成部分。其中，光源8安装在显微镜镜架17上，位于整个系统正上方，光源8可为白光或荧光。粗调平台7安装在显微镜镜架17上，精密运动平台2通过螺钉固定在粗调平台7上，样品台9通过螺钉固定在精密运动平台2上，样品12置于样品台9上，通过压片夹固定。微纳米透镜阵列3通过双面胶带粘贴在透镜阵列安装架11上，位于样品12和物镜6之间，微纳米透镜阵列3中单个透镜直径在十几到几十微米之间，基底可为透明的玻璃基底。在微纳米透镜阵列3基底下表面和样品12上表面各有一个纳米微球4，5，纳米微球4，5的直径小于微纳米透镜阵列7中微纳米透镜的高度，以防测量过程中纳米微球4，5受到样品12和微纳米透镜阵列3玻璃基底的挤压，影响到纳米微球4，5的视觉定位。要保证物镜6的焦点能够位于微纳米透镜阵列3的焦平面内，故物镜6与微纳米透镜阵列3的竖直距离能够调整，单轴精密运动单元10位于物镜6上方并通过螺纹与物镜6紧固连接，用于控制物镜6能聚焦到微纳米透镜阵列3的焦平面上。本专利技术的基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像方法，实现过程如下：手动调整所述粗调平台7，使所述显微镜1视场中能同时出现所述两个纳米微球4，5的离焦图像。所述两个纳米微球4,5用于测量样品12和微纳米透镜阵列3的相对位置，纳米微球材料为透明材料，如聚苯乙烯纳米微球，钛酸钡纳米微球。光学显微镜1在对样品12的成像过程中同时会对两个纳米微球4，5进行成像，计算机16对两个纳米微球4，5的显微离焦图像进行处理可计算获得两个纳米微球4,5的相对位置，经过换算可得到样品12与微纳米透镜阵列3的相对位置，实时地采集纳米微球4,5的显微图像并进行处理便可以实时反馈微纳米透镜阵列3相对样品12的位置。在基于纳米微球4,5显微成像的视觉反馈体系建立之后，控制器15控制精密运动平台2运动将样品12带动到微纳米透镜阵列3的近场范围内,即光源的一个波长以内，同时控制器14控制单轴精密运动单元10运动，使物镜6焦点与微纳米透镜阵列3的焦平面重合。高速相机13采集微纳米透镜阵列3所成像并发送至计算机16，整个系统同时基于精密运动平台2进行扫描运动，使微纳米透镜阵列3上的微纳米透镜能够覆盖到整个待测区域，基于计算机16对微纳米透镜阵列3中每个微纳米透镜所成像本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统，其特征在于：包括光学显微镜(1)、精密运动平台(2)、微纳米透镜阵列(3)和两个纳米微球(4,5)。所述精密运动平台(2)位于所述光学显微镜(1)的粗调平台(7)上，所述精密运动平台(7)上设有样品台(9)，样品(12)置于所述样品台(9)上方；所述微纳米透镜阵列(3)倒置于所述样品(12)和所述光学显微镜(1)的物镜(6)之间；所述两个纳米微球(4,5)分别位于所述样品(12)上表面和所述微纳米透镜阵列(3)下表面。

【技术特征摘要】
1.基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统，其特征在于：包括光学显微镜(1)、精密运动平台(2)、微纳米透镜阵列(3)和两个纳米微球(4,5)。所述精密运动平台(2)位于所述光学显微镜(1)的粗调平台(7)上，所述精密运动平台(7)上设有样品台(9)，样品(12)置于所述样品台(9)上方；所述微纳米透镜阵列(3)倒置于所述样品(12)和所述光学显微镜(1)的物镜(6)之间；所述两个纳米微球(4,5)分别位于所述样品(12)上表面和所述微纳米透镜阵列(3)下表面。2.根据权利要求1所述的基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统，其特征在于所述光学显微镜(1)为反射式正置光学显微镜,在所述光学显微镜(1)中，物镜(6)上方装有单轴精密运动单元(10)，通过螺纹紧固连接；所述单轴精密运动单元(10)固定在透镜阵列安装架(11)上，通过螺纹紧固连接；所述透镜阵列安装架(11)固定在显微镜镜架(17)上，通过螺纹紧固连接。3.根据权利要求1，2所述的基于微纳米透镜阵列的高速超分辨率光学成像系统，其特征在于所述微纳米透镜阵列(3)倒置粘贴在所述透镜阵列安装架(11)底端，通过双面胶带进行紧固。所述微纳米透镜阵列(3)的透镜底端与所述样品(12)之间的距离可通过所述粗调平台(7)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉亮，曾炳霖，周骥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11