一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片及其成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片及其成像方法，涉及超分辨显微领域。本发明专利技术基于块状高折射基底材料，在其上表面中心设置样品区域，在其下表面设有多圈不同角度的棱镜，将LED分别置于棱镜侧面，再将LED的正负极集成到PCB板上，通过单片机控制LED的开关。相比于外接光路的超分辨显微成像系统，将光源集成到超分辨显微芯片上可实现超分辨成像的小型化和便携性，便于应用于资源紧缺地区的医疗诊断和科研分析。相比于传统的傅里叶叠层显微成像(FPM)，利用棱镜可提高斜入射光源的光强和信噪比以及斜入射范围，引入更大横向波矢的倏逝波，可有效提高成像质量以及分辨率。分辨率。分辨率。

A prism based light source integrated super-resolution microchip and its imaging method

【技术实现步骤摘要】
一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片及其成像方法


[0001]本专利技术涉及超分辨显微领域，尤其涉及片上移频超分辨显微成像领域。

技术介绍

[0002]传统光学显微技术在生物学、医学、材料学等领域发挥了巨大的作用，但是由于阿贝衍射极限的限制，其成像性能还无法满足这些领域高精度大范围的检测要求。为了突破光学系统的衍射极限，人们专利技术了一系列超分辨显微成像技术。其中，基于空间频谱移频的超分辨显微成像技术可以突破传统成像与探测器件的带宽限制，在视场大、速度快上具有显著优势。
[0003]基于空间频谱移频的超分辨显微成像技术通过拍摄一系列的低分辨率图像，将携带有空间高频的信息移入物镜数值孔径(NA)可收集的空间频域中，然后在频域中进行算法拼接，从而恢复出高分辨率的图像。
[0004]现有的移频超分辨显微成像技术有GaP
‑
on
‑
SiO2集成光波导型超分辨显微技术和晶圆型超分辨显微技术等，这些技术虽能实现很高的分辨率，但其视场范围均低于毫米量级，无法满足观测生命组织较大活动范围等大视场成像需求。此外，以上技术均需要外接光路来实现对样品的照明，无法实现小型化和便携化，不适合应用于资源紧缺地区的医学诊断以及科研分析。
[0005]另外一些移频超分辨显微成像技术，比如，傅里叶叠层显微成像技术(FPM)使用一系列不同距离不同方向的LED照明采集相应的低分辨率图，可在一定程度上实现整个系统的小型化。但是，传统FPM的照明方式是通过LED经由空气入射到样品区域，其最大的横向波矢受限于空气折射率，因而能实现的最高分辨率受限。且传统FPM采用垂直照明LED，斜入射光源的光强和信噪比将会大大降低。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片及其成像方法。本专利技术主要是通过棱镜耦合方式提高LED斜入射到样品区域的效率和照明的横向波矢量，从而提升其成像质量和分辨率。
[0007]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片，包括基底材料和若干棱镜；所述基底材料具有两个平整且相互平行的功能面和成像面，成像面的中央用于放置样品并作为样品区域；功能面上以所述样品区域为中心，同轴设有若干圈不同角度的棱镜，以提高光源斜入射到样品区域的效率和照明的横向波矢量。
[0009]作为优选，所述成像面上除样品区域外的其他区域均做遮光处理，功能面上除棱镜所在处的其他区域均做遮光处理，以提高图像的信噪比。
[0010]进一步的，所述遮光处理采用磁控溅射镀膜等微纳加工工艺，遮光材料选用Cr、Au、Ag等光损耗较大的材料中的一种，遮光材料层的厚度应在能保证遮光效果的前提下选
择最薄的厚度。
[0011]作为优选，在棱镜可加工的情况下，尽量选择在所使用的光波段折射率较高且低光损耗的材料，比如棱镜材料可以为TiO2、SiO2、Al2O3、Si3N4、K9玻璃中的一种。折射率越高，移频量越大，具体需要根据成本、加工条件等选用。
[0012]作为优选，所述棱镜与基底材料的结合采用透明紫外胶粘法。
[0013]作为优选，为了提高LED入射到样品区域的效率，棱镜需要进行抛光处理的面有：与基底材料的接触面及与光源的接触面。
[0014]作为优选，所述基底材料为块状或片状结构。横截面可以为任意形状，只要能保证棱镜以样品为中心而中心对称分布即可。
[0015]第二方面，本专利技术提供了一种利用第一方面任一所述基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片的成像方法，具体如下：
[0016]S1：将样品放置于样品区域，在每个棱镜远离样品区域的侧面分别固定LED(如贴片LED、直插LED)作为光源，再将所有LED集成到控制电路中，随后将整体放置于普通光学显微镜的样品台上；其中，第m圈LED作为光源斜射入样品中心的入射角θ
m
满足如下公式：
[0017][0018]式中，基底材料的厚度为T，功能面上分布的棱镜总圈数为n，第m圈棱镜中心与样品中心的直线距离为L
m
，n为整数且1≤m≤n；
[0019]S2：通过普通光学显微镜照明样品，用光学相机采集样品的低频空间信息；
[0020]S3：由内到外依次点亮每圈棱镜上的LED，使光源斜射入到样品区域以照明样品，用光学相机采集样品的来自不同圈且不同方向光源照明下的不同频率的高频光场信息；
[0021]S4：基于采集到的低频空间信息和高频光场信息，在频域空间进行迭代拼接得到扩大后的频谱，再进行逆傅里叶变换到空间域，即重构得到样品的超分辨图像。
[0022]该斜入射的光所能提供的波矢是：K
m
＝K0*N
m
，其中K0是入射光在真空中的波矢，可以表述为λ是入射光的波长；N
m
＝N*cosθ
m
是材料的有效折射率，N为基底材料的折射率。由上述公式可知，有效折射率越高，移频量越大。一般而言，根据需要的移频量来设计棱镜的圈数，移频量越大，棱镜圈数越多。棱镜的大小取决于LED的大小以及基底材料的大小。为了保证重构图像的质量，每个棱镜相对应的移频频谱应具有一定的重合率，所以一般而言，在棱镜可以分布在基底的前提下，内圈棱镜的个数应设计的少一些，外圈棱镜的个数应设计的多一些。
[0023]有效成像视场(FOV)(即样品区域)为LED通过每个棱镜入射到成像面的重合区域。
[0024]作为优选，所述LED通过透明紫外胶粘贴固定于棱镜上。
[0025]作为优选，所述LED的正负极集成到PCB板上，通过单片机编程实现对各个LED光源的开关控制。
[0026]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0027]本专利技术将LED光源集成到超分辨显微芯片上，无需外接光路，有利于实现超分辨显微成像的小型化和便携化。其次，本专利技术利用棱镜将LED光源斜入射到样品区域，相比于传统的FPM，可提高每个LED光源斜入射到样品区域的光强和信噪比，提高成像质量；由于采用
了新型的照明结构，引入了更大横向波矢的倏逝波，可以进一步提高成像分辨率。
附图说明
[0028]图1是芯片截面示意图；
[0029]图2是棱镜的俯视图(a)和主视图(b)；
[0030]图3是实施例中棱镜的一种平面分布图；
[0031]图4是实施例中重构频谱示意图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。本专利技术中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0033]实施例
[0034]图1是本专利技术芯片截面的示意图，其厚度为T，直径为D。芯片上表面是成像面，中央是样品区域，其余地方镀厚为300nm的铬膜作为遮光层。芯片下表面是功能面，分布有9圈不同角度的棱镜，其余地方也镀厚为300本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片，其特征在于，包括基底材料和若干棱镜；所述基底材料具有两个平整且相互平行的功能面和成像面，成像面的中央用于放置样品并作为样品区域；功能面上以所述样品区域为中心，同轴设有若干圈不同角度的棱镜，以提高光源斜入射到样品区域的效率和照明的横向波矢量。2.根据权利要求1所述的基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片，其特征在于，所述成像面上除样品区域外的其他区域均做遮光处理，功能面上除棱镜所在处的其他区域均做遮光处理。3.根据权利要求2所述的基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片，其特征在于，所述遮光材料选用Cr、Au、Ag材料中的一种，遮光材料层的厚度在能保证遮光效果的前提下选择最薄的厚度。4.根据权利要求1所述的基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片，其特征在于，所述棱镜材料为TiO2、SiO2、Al2O3、Si3N4、K9玻璃的一种。5.根据权利要求1所述的基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片，其特征在于，所述棱镜与基底材料的结合采用透明紫外胶粘法。6.根据权利要求1所述的基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片，其特征在于，所述棱镜上与基底材料的接触面及与光源的接触面均做抛光处理。7.根据权利要求1所述的基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片，其特征在于，所述基底材料为块状...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨青，杨啸宇，汤明炜，张乾威，林沐春，刘旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：