本發(fā)明涉及一種成像系統(tǒng)，特別涉及一種空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場超分辨成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

普通光學(xué)顯微鏡由于受到衍射極限的限制，其成像分辨率取決于入射波長和顯微物鏡的數(shù)值孔徑，通常不會小于入射光波長的一半，即200納米。而當(dāng)成像目標(biāo)的特征尺寸小于200納米時，比如生物樣品中的一些細(xì)胞器、病毒，光學(xué)顯微鏡就顯得束手無策。為突破衍射極限，獲得納米級結(jié)構(gòu)的清晰影像，人們采用了熒光顯微鏡，將待觀察樣品染色，然后利用染料熒光分子團(tuán)的光敏開關(guān)特性，獲取了生物樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)。然而該方法只適用于可染色的生物樣品，且成像速度較慢。為此，設(shè)計一種方便使用、適合各種樣品的遠(yuǎn)場超分辨顯微鏡變得十分重要。

通常，當(dāng)入射光照射到表面具有許多精細(xì)結(jié)構(gòu)的待測樣品上時，這些細(xì)微結(jié)構(gòu)在入射光場的作用下，產(chǎn)生的散射場包含了限制于物體表面的倏逝波和傳向遠(yuǎn)處的傳導(dǎo)波。傳導(dǎo)波中只包括低空間頻率（周期大于半波長的結(jié)構(gòu)）的表面輪廓信息，不包含任何樣品表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。而倏逝波則產(chǎn)生于樣品表面的超精細(xì)結(jié)構(gòu)（周期小于半波長的結(jié)構(gòu)），包含了樣品表面的所有精細(xì)結(jié)構(gòu)信息，但無法傳播到遠(yuǎn)方，無法被透鏡和光敏器件所接收。因此要獲取遠(yuǎn)場超高分辨率，就必須將待測樣品表面的倏逝波轉(zhuǎn)化成可接收的傳導(dǎo)波。

最近，一種基于介質(zhì)微球的超分辨透鏡技術(shù)被廣泛研究與關(guān)注，如中國專利ZL 201110139222.8。它通過放置在樣品表面的介質(zhì)微球，將待測樣品表面的倏逝波轉(zhuǎn)化成傳導(dǎo)波，從而實(shí)現(xiàn)了超分辨成像。但由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，無論其大小和材料如何改變，其分辨率極限也有一定的限制。因此需要提出和設(shè)計一種更優(yōu)秀的透鏡，來獲取更高的成像分辨率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對光學(xué)顯微鏡分辨率受限制的問題，提出了一種空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場超分辨成像系統(tǒng)，用來進(jìn)一步提高普通光學(xué)顯微鏡的成像分辨率。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場超分辨成像系統(tǒng)，將空心介質(zhì)微球透鏡置于待測樣品的表面，再將待測樣品放置顯微物鏡的焦平面位置，待測樣品表面的微納結(jié)構(gòu)通過由空心介質(zhì)微球透鏡、顯微物鏡和鏡筒透鏡依次組成的同軸光路后，到達(dá)成像探測器上，獲取待測樣品像。

所述空心介質(zhì)微球透鏡中心部分為空心球體，填充材料為空氣，外層球體為介質(zhì)材料。

所述外層球體直徑為1至50微米，內(nèi)層空心球體直徑為0.5至25微米，內(nèi)層直徑和外層直徑比值在0.2至0.8之間。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場超分辨成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)超分辨成像。相比于普通介質(zhì)微球透鏡，空心介質(zhì)微球透鏡具有更加優(yōu)越的聚焦和成像特性。相同的照明光和顯微物鏡下，空心介質(zhì)微球透鏡具有更小的聚焦焦斑。成像時，空心介質(zhì)微球透鏡具有更高的成像分辨率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)示意圖；

圖2為本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的成像光路圖；

圖3為在XZ平面內(nèi)，顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦特性比較圖；

圖4為在XY平面內(nèi)，顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦特性比較圖；

圖5為顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和本發(fā)明空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦焦斑的旁瓣比較圖；

圖6為本發(fā)明介質(zhì)微球透鏡與空心介質(zhì)微球透鏡的成像效果比較圖。

具體實(shí)施方式

空心介質(zhì)微球輔助的遠(yuǎn)場超分辨成像系統(tǒng)，利用中心空心部分對匯聚光束進(jìn)行調(diào)制，從而獲得更好的聚焦效果和成像分辨率。介質(zhì)微球透鏡能夠提高顯微物鏡的數(shù)值孔徑，從而獲得比普通顯微物鏡更高的分辨率?？招慕橘|(zhì)微球透鏡相當(dāng)于中心遮擋的介質(zhì)微球透鏡，能夠?yàn)V除了光線中的低頻分量，增加了高頻分量的比值，因此可以進(jìn)一步獲得更小的聚焦焦斑和更高的成像分辨率。

如圖1所示空心介質(zhì)微球透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。透鏡的中心部分為球體，半徑為r，填充材料為空氣，其折射率為n₀，外層為球殼，其半徑為R，折射率為n₁。

圖2為空心介質(zhì)微球透鏡的成像光路。基于普通的光學(xué)顯微鏡，將空心介質(zhì)微球透鏡2置于待測樣品1的表面，再將待測樣品放置顯微物鏡3的焦平面位置。待測樣品表面的微納結(jié)構(gòu)通過由空心介質(zhì)微球透鏡2、顯微物鏡3和鏡筒透鏡4依次組成的同軸光路后，到達(dá)成像探測器5上。利用中心球?qū)訉Φ涂臻g頻率光線的調(diào)制作用，可獲得較普通介質(zhì)微球更小的聚焦光斑和成像分辨率。

空心微球透鏡為介質(zhì)材料，如玻璃、石英等。涉及的近場超分辨透鏡，外球直徑一般為1至50微米，而內(nèi)層直徑通常為0.5至25微米，通常內(nèi)層直徑和外層直徑比值在0.2至0.8之間。以上參數(shù)僅為建議數(shù)值，但并不限制本發(fā)明的權(quán)利要求。

圖3為顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦焦斑大小比較（在XZ平面）。其中（a）為數(shù)值孔徑（NA）為0.9的顯微物鏡的聚焦焦斑，其焦斑的半高全寬（FWHM）為329 納米；（b）為直徑5微米的石英（折射率n = 1.46）微球透鏡的焦斑，其焦斑的半高全寬（FWHM）為246 納米；（c）為外徑5微米內(nèi)徑2.5微米的空心石英微球透鏡的焦斑，其焦斑的半高全寬（FWHM）為157 納米。計算時使用的入射波長為550納米，并運(yùn)用時域有限差分法（FDTD algorithm）精確求解麥克斯韋方程組，來獲得透鏡焦斑的精確大小。

圖4為顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和空心介質(zhì)微球透鏡的聚焦焦斑大小比較（在XY平面）。其中（a）為數(shù)值孔徑（NA）為0.9的顯微物鏡的聚焦焦斑；（b）為直徑5微米的石英微球透鏡的焦斑；（c）為外徑5微米內(nèi)徑2.5微米的空心石英微球透鏡的焦斑。

圖5為顯微物鏡、介質(zhì)微球透鏡和空心介質(zhì)微球透鏡的焦斑旁瓣比較。其中（a）為數(shù)值孔徑（NA）為0.9的顯微物鏡的焦斑的旁瓣，約為主瓣的2%；（b）為直徑5微米的石英微球透鏡的焦斑的旁瓣，約為主瓣的8%；（c）為外徑5微米內(nèi)徑2.5微米的空心石英微球透鏡的焦斑的旁瓣，約為主瓣的41%。隨著焦斑的逐漸縮小，其旁瓣強(qiáng)度在逐漸增大，但依然在可接受的范圍。

圖6為介質(zhì)微球透鏡和空心介質(zhì)微球透鏡的成像效果比較。仿真的圖像是由放置在透鏡焦點(diǎn)位置的點(diǎn)光源產(chǎn)生的PSF卷積成像目標(biāo)而獲得的。其中（a）成像目標(biāo)，為周期性線柵結(jié)構(gòu)，其線寬為100 納米，間隔同樣為100納米；（b）為直徑5微米的石英微球透鏡的成像效果，線條完全不可見；（c）為外徑5微米內(nèi)徑2.5微米的空心石英微球透鏡的成像效果，線條結(jié)構(gòu)清晰可見，但邊緣位置有兩條由旁瓣產(chǎn)生的重影，其強(qiáng)度有旁瓣高度決定；（d）增加（c）的對比度之后的成像效果，消除了重影的影響，獲得了超精細(xì)結(jié)構(gòu)的像。