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偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片及成像系统、方法技术方案

技术编号:36422526 阅读:42 留言:0更新日期:2023-01-20 22:31
本发明专利技术公开了一种偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片及成像系统、方法,该芯片基于两面平行的光透明基底,该基底两面抛光,其中一面作为光场调制面,在波导表面制备超表面光场调制结构,利用超表面对电磁场的自由灵活控制特性,可以实现对耦合光场的偏振控制和耦合效率的提高。由于不需要传统的偏振旋转器件,相比以往提出的结构光超分辨显微芯片,基于该超表面的结构光超分辨显微芯片可以实现更高的集成度、更快的成像速度以及更高的能量利用率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片及成像系统、方法


[0001]本专利技术涉及超分辨显微成像的
,具体涉及一种偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片及成像系统、方法。

技术介绍

[0002]传统光学系统受到阿贝衍射极限的限制,导致显微镜分辨率只能达到照明波长的一半。为了突破传统显微镜的衍射极限,人们专利技术了一系列的荧光标记和非荧光标记方法。其中移频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。结构光照明超分辨显微术(Structured illumination microscopy,SIM)属于移频技术,凭借其成像速度快、较低的激发光强(W/cm2)、对荧光染料的非特异性需求等优点,已经成为目前主流的超分辨成像技术之一,广泛应用于生物成像。
[0003]结构光照明超分辨显微术的原理是通过空间频率混合的方式将物体的高频空间结构信息混合编码至显微系统的带宽范围内,从而可以实现突破衍射极限的分辨率。其实现方式是如果使用空间频率为f1的正弦条纹结构光照明样品,则会产生空间频率为fm=|f

f1|的低频莫尔条纹(Moir
é
fringes)。莫尔条纹实际上是样品与结构光的拍频信号,它包含有样品超衍射分辨的高频信息f。当f
m
<f0时,可以在显微物镜下观察到莫尔条纹,再通过解码提取出样品的超分辨率信息,进而重构出样品的高分辨率图像。为保证结构光照明显微系统成像分辨率的各向同性,实验中需要旋转照明光场在多个方向上对称照明样品。通常在每一个成像平面旋转3个位置,两两夹角60
°
。从频域来看,结构光照明将显微系统的OTF半径从f0拓展到了f0+f1。因此f1越大,即照明光场的周期越小,SIM成像的空间分辨率就越高。但是结构照明光场的空间频率f1同样受衍射极限限制,普通的结构光照明显微技术利用物镜耦合双光束产生干涉条纹作为调制光场照明,其条纹周期取决于物镜的有效数值孔径,即f1≤f0,所以线性SIM显微技术至多可以将光学显微系统的空间分辨率提高一倍。实验为了获得更高分辨率,最直接的办法就是增加物镜的有效数值孔径,然而更高NA的物镜其设计会更复杂,最终限制了这种超分辨方法的分辨率。此外,增大有效数值孔径还会带来成像视场面积的减小和显微镜工作距离的缩短。
[0004]解决此矛盾的思路是将照明系统和接收系统分离,其中照明系统可以采用高折射率的芯片提供更小周期的结构光照明,接收系统用数值孔径较小的物镜,因此可以同时获得较大的成像视场和较高的分辨率。此外,这种利用芯片照明产生结构光照明结合小NA物镜的超分辨方法具有轻量化和集成化的优势,有望实现低成本、小型化的超分辨显微系统,应用于偏远地区医疗检查、科学考察、太空实验等对仪器的重量、体积或成本有限制的场景。
[0005]此外,SIM需要通过算法重构,而条纹对比度影响重构参数的测定准确度与高频信息的信噪比,进而影响最终的重构图像质量,所以高条纹对比度是获得高品质图像的必要条件。传统的结构光显微光路为了实现高对比度的干涉条纹,需要旋转各个方向的双光束偏振方向以实现偏振方向的统一。这种偏振旋转有两种实现方式,一是采用机械旋转四分
之一波片或者利用液晶偏振旋转器(CN 111610621A)来实现,其缺点是机械旋转速度或液晶的调制速度有限,限制了最终的成像速度。二是等提出的pizza偏振片法。这种方法首先将线偏振光束通过一个1/4波片变为圆偏振光,再使其通过一种特殊加工的pizza偏振片。这种偏振片包含12个小扇形偏振片,每个小偏振片的偏振方向都垂直于半径方向,然后用光学胶将偏振片粘合固定,这种方法有利于提高成像速度,但是入射的圆偏振光经过分区偏振片之后会损耗50%的光能量。此外,以上两种方式都还无法实现真正的集成化。
[0006]在结构光照明芯片方面,CN 111024664A提出的采用块状光波导材料制备结构光照明超分辨显微芯片的方案,采用光栅实现自由空间激光到高横向波矢倏逝场的耦合。利用一对光栅的
±
1级衍射光实现干涉条纹,但是两束自由光仍需以上两种传统方式实现偏振方向的调节以实现倏逝波的干涉对比度最优化。此外,该结构光照明芯片采用普通一维矩形光栅实现波矢的调控,其衍射能量主要分配到了零级光和另一级衍射光,所以光栅的一级衍射光的耦合效率较低,最大只能达到40%左右。综上,由于普通矩形光栅对光场的调控自由度有限,需要采用新的微纳结构实现更高的倏逝场耦合效率和偏振的优化。
[0007]超表面是一种人工超材料,是由多个远小于电磁波的波长的人工单元结构按照一定的规则排列而成,类似于自然材料的原子或者分子,可以通过对单元结构的自主设计实现对电磁波的灵活控制,产生一些新奇的电磁特性。因此,利用超表面对电磁波的自由灵活调控的特性,有望实现倏逝波耦合效率的提高以及对应位置入射光的偏振转换。

技术实现思路

[0008]本专利技术目的在于针对现有结构光照明超分辨显微技术的不足,提出一种基于超表面的结构光照明超分辨显微芯片,并结合相应的激发光路和成像光路实现超分辨成像。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0010]一种偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片,包括两面平行的光透明基底,所述光透明基底两面抛光,其中一面作为光场调制面,表面分布有超表面光场调制结构,所述超表面光场调制结构用于将两束准直的自由空间光耦合进芯片,在芯片的另一面中心相遇并实现干涉,产生照明干涉条纹;光场调制面除超表面光场调制结构处都分布有遮光结构;光透明基底的另一面作为样品面,所述样品面中心区域设有样品放置区,其余部分设有遮光结构。
[0011]作为优选,所述芯片还包括介质膜,所述介质膜位于光场调制面与该表面的遮光结构之间。
[0012]作为优选,所述的超表面光场调制结构为周期性结构,其周期决定入射光偏折的角度。
[0013]作为优选,所述的超表面光场调制结构的每个周期由多个微纳结构组成,每个微纳结构为长方体,其长、宽和厚度决定相位延迟,一个周期之内的微纳结构形成的相位延迟均匀覆盖2π。该梯度相位延迟可以最大效率地将所需要的一级衍射光耦合到芯片基底中进行全反射照明。
[0014]作为优选,所述的超表面光场调制结构的单个周期的微纳结构的长边指向同一个角度,其方向决定偏振转换的对称轴,用于将出射光的偏振方向沿着该对称轴与入射光偏振的方向进行镜像偏转。
[0015]作为优选,所述的超表面光场调制结构由两种折射率不相等的材料横向交替构成。
[0016]作为优选,所述的遮光结构为不透光的金属膜,用于遮挡不需要的杂散光和未经超表面调制的照明光。
[0017]作为优选,所述的光透明基底包括Si3N4、SiO2、Al2O3、SiC、GaP、TiO2、GaN、Polymer中的一种或多种。
[0018]作为优选,所述光场调制面采用EBL、FIB、光刻或纳米压印等微纳加工方法制备超表面光场调制结构。
[0019本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片,包括两面平行的光透明基底,其特征在于:所述光透明基底两面抛光,其中一面作为光场调制面,表面分布有超表面光场调制结构,所述超表面光场调制结构用于将两束准直的自由空间光耦合进芯片,并改变偏振方向,使这两束耦合光在芯片的另一面中心相遇并实现干涉,产生对比度最大的照明干涉条纹;光场调制面除超表面光场调制结构处都分布有遮光结构;光透明基底的另一面作为样品面,所述样品面中心区域设有样品放置区,其余部分设有遮光结构。2.根据权利要求1所述的一种偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片,其特征在于:还包括介质膜,所述介质膜位于光场调制面与该表面的遮光结构之间。3.根据权利要求1所述的一种偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片,其特征在于:所述的超表面光场调制结构为周期性结构,其周期决定入射光偏折的角度。4.根据权利要求3所述的一种偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片,其特征在于:所述的超表面光场调制结构的每个周期由多个微纳结构组成,每个微纳结构为长方体,其长、宽和厚度决定相位延迟,一个周期之内的微纳结构形成的相位延迟均匀覆盖。5.根据权利要求4所述的一种偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片,其特征在于:所述的超表面光场调制结构的单个周期的微纳结构的长边指向同一个角度,其方向决定偏振转换的对称轴,用于将出射光的偏振方向沿着该对称轴与入射光偏振的方向进行镜像偏转。6.根据权利要求1所述的一种偏振转换超表面结构光超分辨显微芯片,其特征在于:所述的超表面光场调制结构由两种折射率不相等的材料横向交替构成。7.根据权利要求1所述的一种偏振转换超表...

【专利技术属性】
技术研发人员:汤明炜杨青韩于冰孙艳刘旭
申请(专利权)人:之江实验室
类型:发明
国别省市:

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