一种基于差分去噪的表面等离激元成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于差分去噪的表面等离激元成像系统，包括：旋转照明系统、管镜、分束镜、油浸显微物镜、金膜基底、高精度位移平台、成像光路；表面等离激元具有局域场增强以及对环境折射率变化敏感的特性，可以用于对微小颗粒进行成像。首先，利用旋转照明系统实现入射光对物体进行旋转照明，消除入射光与散射光产生的干涉条纹，获得没有干涉条纹的以及尺寸较小的像。在此基础上利用差分去噪方法，快速移动高精度位移平台，实现对图像背景噪声的去除，提高成像的信噪比。该成像系统利用差分去噪的方法极大的提高了表面等离激元显微成像的信噪比，可以对直径低至22nm的纳米颗粒进行高对比度成像，并具有10nm的粒径分辨率。并具有10nm的粒径分辨率。并具有10nm的粒径分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于差分去噪的表面等离激元成像系统


[0001]本专利技术涉及高信噪比的表面光学显微成像领域，特别涉及一种基于差分去噪的表面等离激元成像。

技术介绍

[0002]单个纳米颗粒粒径的光学检测方法已广泛用于生物物理研究，并且正在扩展到包括国家安全，环境监测和早期诊断在内的应用当中。这项技术为探究生物和光子材料的基本特性提供了重要手段，并彻底改变了我们对纳米尺度上发生的生物物理现象的理解。具有较小直径的纳米颗粒往往比较大的纳米颗粒对人体健康危害更大，因为它们可以深入肺部，然后可能诱发肺癌，呼吸系统疾病甚至器官功能障碍。因此，我们更应该着眼于对超细颗粒的检测，特别是直径小于100nm的纳米颗粒。
[0003]光学表面波是局域在于物体表面近场区域的一种电磁模式，如存在于金属与电介质分界面的表面等离激元(Surface Plasmon polaritons,SPPs)就是一种常见的光学表面波。当电磁波入射到金属(通常为贵金属，如金或者银)与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波；在满足波矢匹配(动量守恒)的条件下，入射电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种所谓的表面等离激元。SPPs具有亚波长、近场局域与表面增强、环境敏感等特性，基于这些优良特性SPPs经常被应用于显微成像当中。但是，在使用表面等离激元显微成像系统对直径低于100nm的小颗粒物进行成像检测时具有很大局限性：由于沿金属表面传播的SPPs与散射光发生干涉，产生的干涉条纹极大的影响成像的空间分辨率；同时，对于直径低于50nm的颗粒物，其散射信号强度非常微弱，很容易被淹没在背景噪声当中。这些问题制约了表面等离激元成像系统对小粒径颗粒的成像与检测，因此亟待解决。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服传统表面等离激元显微成像系统信噪比低的问题，提出了一种基于差分去噪的表面等离激元成像系统，该系统可以对直径低至22nm的纳米颗粒进行高信噪比成像，并具有10nm的粒径分辨率。与此同时，所需基底易于制备，成像过程无损伤，适用于各类生化标本，使得该显微成像方法具有广泛的应用价值。
[0005]本专利技术实现上述目的的技术方案如下：
[0006]一种基于差分去噪的表面等离激元成像系统，该成像系统包括：旋转照明系统、管镜、分束镜、油浸显微物镜、金膜基底、高精度位移平台和成像光路；其中，一束经过准直透镜准直之后的激光，通过旋转照明系统的调制变为任意方向的线偏振光，并出射；出射光束经过管镜和分束镜后，聚焦至油浸显微物镜的后焦面；聚焦的光束经过油浸显微物镜后以平行光形式照射金膜基底；经过旋转照明系统的调制，平行光束可以以表面等离激元的激发角度以及TM偏振方向入射至金膜基底，从而在金膜
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空气界面激发表面等离激元；沿着界
面传播的表面等离激元照射位于金膜基底上的样品时，会与样品的散射光干涉产生干涉条纹；通过旋转照明系统对光束出射角度的调制，使光束在后焦面上的聚焦光斑沿着有固定半径的圆环轨迹进行旋转，从而实现光束在样品平面的旋转照明；与此同时，将托载金膜基底的高精度位移平台沿着水平方向以固定步长移动，并且每移动一个步长后进行停留，样品也随之移动与停留；从金膜基底泄漏的散射光经过油浸显微物镜收集，透射过分束镜后，以平行光形式进入成像光路，在样品每次停留的间隙成像光路曝光成像，得到一系列样品的图像；将这一系列图像中相邻两张图像的灰度值相减，消除系统中缺陷带来的噪声，例如光斑不均匀、光学元件表面的污染物等引入的噪声，得到相应的一系列差分图像；在差分图像中，以样品的像为中心提取400*400像素大小的区域，得到提取图像；将全部提取图像的灰度值叠加求平均，消除系统中随时间变化的噪声，例如光斑强度随时间波动引入的噪声，得到最终处理后的图像。通过后期差分去噪算法的处理，图像的噪声被消除，表面等离激元成像系统的信噪比得到大幅提升。
[0007]其中，所述的旋转照明系统由反射振镜、反射振镜、起偏器和半波片构成。通过两个反射振镜的调制，可以改变光束的出射角度，最终实现光束以表面等离激元激发角为径向角入射至金膜基底，同时光束沿着方位角方向旋转。起偏器用于使光束变为线偏光，转动半波片可以改变偏振光的偏振方向，直到偏振方向相对于金膜基底为TM模式对应的偏振方向，从而实现表面等离激元的激发。
[0008]其中，所述的油浸显微物镜具有两个作用，首先用于将聚焦光转变为平行光照射至金膜基底，并在基底上激发表面等离激元；然后，用于收集从金膜泄漏下来的散射光。
[0009]其中，所述的金膜基底由底层盖玻片、中层3nm钛和上层45nm金构成。底层盖玻片用于在激发表面等离激元时提供波矢匹配，中层3nm钛作为粘附层，使上层金膜不脱落，上层的金膜用来激发表面等离激元。
[0010]其中，所述的高精度位移平台可以进行纳米级的高精度位移，并且在到位后给探测器发送触发信号，使探测器开始曝光。
[0011]其中，所述的成像光路包含检偏器、成像管镜和探测器。将检偏器透振方向与起偏器透振方向正交，可以阻挡大部分反射光，抑制背景噪声。成像管镜将散射光聚焦至探测器芯片，实现成像。探测器受来自高精度位移平台的触发信号控制，进行曝光拍照。
[0012]本专利技术技术方案的原理为：
[0013]在显微成像过程中，轻微移动基底并不会改变成像的背景噪声分布，因此可以通过将移动基底前后拍得的两张图片作差来去除背景噪声。由于采取作差的方式，每次移动的步长必须大于样品沿着移动方向的最大长度，这样才能保证作差后两张图片中样品的像不会因为有交叠部分而被消去。然而传统的表面等离激元显微成像系统由于干涉条纹的存在，使得粒径小于100nm的样品的像变大至几十微米。为了缩小样品的像的尺寸，采取旋转照明系统，在一个曝光时间内照明光束沿着方位角方向高速旋转一周以上，不同方位角入射得到的干涉条纹朝向不同，这样各个朝向的干涉条纹在探测器上叠加平均，实现干涉条纹的消除，样品像的尺寸降至几百纳米，从而使得高精度位移平台可以以较小的步长进行平移。为了消除照明光强度分布随时间变化带来的噪声，拍摄了一列连续的图像作差分，并将差分后的图像做平均，以消除这类噪声，使得成像的信噪比得到大幅提升。
[0014]本专利技术和现在有成像技术相比的优势为：
[0015]该专利技术使得成像系统具有极高的高信噪比：可以对粒径低至22nm的聚苯乙烯小球清晰成像，而传统表面等离激元显微镜的极限是对粒径为50
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100nm的聚苯乙烯小球成像。
附图说明
[0016]图1为本专利技术一种基于差分去噪的表面等离激元成像系统的结构示意图；
[0017]图2为差分去噪方法的流程图；
[0018]图3为直径分别为22nm、31nm、41nm、51nm、61nm、81nm的聚苯乙烯小球的透射电镜图和表面等离激元成像图，其中，图3a为不同直径聚苯乙烯小球的透射电镜图，scalebar本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于差分去噪的表面等离激元成像系统，其特征在于：该成像系统包括：旋转照明系统(1)、管镜(2)、分束镜(3)、油浸显微物镜(4)、金膜基底(5)、高精度位移平台(6)和成像光路(7)；其中，一束经过准直透镜准直之后的激光，通过旋转照明系统(1)的调制变为任意方向的线偏振光，并出射；出射光束经过管镜(2)和分束镜(3)后，聚焦至油浸显微物镜(4)的后焦面；聚焦的光束经过油浸显微物镜(4)后以平行光形式照射金膜基底(5)；经过旋转照明系统(1)的调制，平行光束可以以表面等离激元的激发角度以及TM偏振方向入射至金膜基底(5)，从而在金膜
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空气界面激发表面等离激元；沿着界面传播的表面等离激元照射位于金膜基底(5)上的样品时，会与样品的散射光干涉产生干涉条纹；通过旋转照明系统(1)对光束出射角度的调制，使光束在后焦面上的聚焦光斑沿着有固定半径的圆环轨迹进行旋转，从而实现光束在样品平面的旋转照明；与此同时，将托载金膜基底(5)的高精度位移平台(6)沿着水平方向以固定步长移动，并且每移动一个步长后进行停留，样品也随之移动与停留；从金膜基底(5)泄漏的散射光经过油浸显微物镜(4)收集，透射过分束镜(3)后，以平行光形式进入成像光路(7)，在样品每次停留的间隙成像光路曝光成像，得到一系列样品的图像；将这一系列图像中相邻两张图像的灰度值相减，消除系统中缺陷带来的噪声，得到相应的一系列差分图像；在差分图像中，以样品的像为中心提取400*400像素大小的区域，得到提取图像；将全部提取图像的灰度值叠加求平均，消除系统中随时间变化的噪声，得到最终处理后的图像。2.根据权利要求1所述的一种基于差分去噪的表面等离激元成像...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，张斗国，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：