本發(fā)明涉及光電子芯片及成像，具體而言，涉及一種非標(biāo)記遠場超分辨顯微光譜成像系統(tǒng)及實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

1、光學(xué)顯微鏡的空間分辨率受衍射極限的限制，難以突破200nm。現(xiàn)有的超分辨顯微成像技術(shù)如受激發(fā)射消耗顯微技術(shù)(stimulated?emission?depletion，sted)、單分子定位超分辨顯微技術(shù)(single?molecule?localization?microscopy，smlm)及結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)(structured?illumination?microscopy，sim)等均續(xù)對樣品進行標(biāo)記且只在空間維度提供了樣本的形態(tài)學(xué)信息，而無法滿足對樣本的理化特征等復(fù)雜生命科學(xué)問題研究需求。

2、雖然光譜成像可同時獲取目標(biāo)的空間維及光譜維信息，具有“圖譜合一”的特性，而傳統(tǒng)光譜成像又無法突破衍射極限，獲取單個分子乃至原子空間尺度上的光譜信息，因此迫切需要將超分辨成像技術(shù)和光譜探測技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對分子尺度乃至原子尺度樣品理化特性等深層次信息的超分辨解析。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何克服現(xiàn)有超分辨顯微成像系統(tǒng)無法兼得目標(biāo)理化特性的光譜信息的難題，為克服以上現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種非標(biāo)記遠場超分辨顯微光譜成像系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，包含一種非標(biāo)記遠場超分辨顯微光譜成像系統(tǒng)及一種非標(biāo)記遠場超分辨顯微光譜成像實現(xiàn)方法。

2、本發(fā)明提供的一種非標(biāo)記遠場超分辨顯微光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

3、平面消色差超分辨透鏡芯片，用于提供遠場超分辨點光源；

4、載物臺，設(shè)有用于放置待成像樣品的樣品位移臺；

5、分束鏡，用于光路分光，獲得第一光束和第二光束；

6、動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊，用于對所述第一光束進行動態(tài)分光；

7、光譜信號采集模塊，用于采集所述動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊輸出的光譜信息；

8、成像物鏡，用于實時放大所述第二光束，形成放大的超分辨圖像；

9、圖像信號采集模塊，用于對所述超分辨圖像進行實時采集；

10、其中，

11、所述平面消色差超分辨透鏡芯片、所述載物臺、所述分束鏡沿所述點光源所發(fā)光信號傳播方向依次設(shè)置，所述分束鏡、所述動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊、所述光譜信號采集模塊沿所述第一光束的傳播方向依次設(shè)置，所述分束鏡、所述成像物鏡、所述圖像信號采集模塊沿所述第二光束的傳播方向依次設(shè)置。

12、本發(fā)明所公開的非標(biāo)記遠場超分辨顯微光譜成像系統(tǒng)，采用了平面消色差超分辨透鏡芯片提供遠場超分辨點光源，平面消色差超分辨透鏡芯片可以在遠場實現(xiàn)突破衍射極限的聚焦，已在超分辨成像領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢，平面消色差超分辨透鏡芯片利用微納結(jié)構(gòu)對透鏡后光場進行精細調(diào)控，在特定位置實現(xiàn)特定干涉進而產(chǎn)生超振蕩現(xiàn)象。因此，平面消色差超分辨透鏡芯片可以在遠場實現(xiàn)突破衍射極限的聚焦。進而，使用平面消色差超分辨透鏡芯片作為一種成像的照明光源，其具有可突破衍射極限、可定制化、可硅微工藝批量制備等優(yōu)勢技術(shù)優(yōu)勢。

13、與此同時，本發(fā)明通過平面超振蕩透鏡芯片產(chǎn)生的遠場超分辨焦點作為入射光源搭建非標(biāo)記超分辨顯微光譜成像系統(tǒng)，考慮到空間分辨率非常小的問題，分光方式選擇動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊作為光譜分光方式，可實現(xiàn)分子乃至原子尺度樣品的在線光譜信息獲取，與圖像信號采集模塊對超分辨圖像進行實時采集的結(jié)合下，能夠?qū)崿F(xiàn)在突破空間衍射極限的同時獲取微小尺度樣品的理化特征。并且，采用動態(tài)可調(diào)光譜濾波器件，針對系統(tǒng)空間光譜分辨率高的特點進行選取，不犧牲系統(tǒng)的空間分辨率。

14、在一種可能的實施方式中，所述平面消色差超分辨透鏡芯片為平面超振蕩透鏡芯片；采用平面超分辨透鏡芯片具有遠場超分辨特征，從突破遠場非標(biāo)記超分辨顯微光譜成像工作距離限制。

15、在一種可能的實施方式中，所述動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊包括液晶可調(diào)諧濾波器、聲光可調(diào)諧濾波器或動態(tài)可調(diào)光譜濾波芯片；包含上述其中之一器件的可調(diào)光譜濾波模塊能夠確保光譜信息采集流暢，不犧牲系統(tǒng)的空間分辨率。

16、在一種可能的實施方式中，所述成像物鏡中：物鏡的放大倍數(shù)及數(shù)值孔徑根據(jù)所述圖像信號采集模塊的像元尺寸進行選擇，對焦點尺寸放大后至少包含3-5個像元；從而可以確保圖像信號采集模塊采集到清晰的信息。

17、本發(fā)明的另一技術(shù)解決方案是，提供一種非標(biāo)記遠場超分辨顯微光譜成像實現(xiàn)方法，該方法包括如下步驟：

18、s1：設(shè)計并選型針對不同工作距離、焦點尺寸及工作帶寬的平面消色差超分辨透鏡芯片；

19、s2：選取不同通道數(shù)目及工作波段的動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊以作為系統(tǒng)分光元件；

20、s3：基于所述平面消色差超分辨透鏡芯片及所述動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊搭建所述超分辨顯微光譜成像系統(tǒng)；

21、s4：利用光譜信號采集模塊和圖像信號采集模塊對待成像樣品的光譜及圖像信息進行實時采集，獲取掃描圖像序列及不同光譜通道下的光譜圖像；

22、s5：利用圖像拼接算法及光譜圖像處理方法對所述步驟s4獲取的光譜圖像進行處理獲得最終的樣品超分辨顯微光譜圖像。

23、本發(fā)明所提供的非標(biāo)記遠場超分辨顯微光譜成像實現(xiàn)方法，利用平面消色差超分辨透鏡芯片產(chǎn)生遠場超分辨焦點的特點，結(jié)合動態(tài)可調(diào)光譜濾波器件不犧牲光譜成像空間分辨率的優(yōu)勢，搭建非標(biāo)記遠場超分辨顯微光譜成像系統(tǒng)，隨后獲得掃描圖像序列及不同光譜通道下的光譜圖像，可實現(xiàn)分子乃至原子尺度樣品的在線光譜信息獲取，服現(xiàn)有超分辨顯微成像系統(tǒng)無法兼得目標(biāo)理化特性的光譜信息的難題，為生物監(jiān)測、新藥研制、生命醫(yī)療等領(lǐng)域提供可靠的工具。

24、在一種可能的實施方式中，所述步驟s3包括如下步驟：

25、s31：以平面波垂直入射到所述平面消色差超分辨透鏡芯片上表面以提供遠場超分辨點光源；

26、s32：令所述平面消色差超分辨透鏡芯片、載物臺、分束鏡沿所述點光源所發(fā)光信號傳播方向依次設(shè)置；

27、s33：將所述待成像樣品置于所述載物臺的樣品位移臺上以使所述點光源打到所述待成像樣品上；

28、s34：通過分束鏡將穿過所述載物臺的光束進行光路分光，獲得第一光束和第二光束；

29、s35：令所述分束鏡、所述動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊、所述光譜信號采集模塊沿所述第一光束的傳播方向依次設(shè)置，令所述分束鏡、成像物鏡、所述圖像信號采集模塊沿所述第二光束的傳播方向依次設(shè)置。

30、在一種可能的實施方式中，所述步驟s4中，通過所述光譜信號采集模塊采集光譜圖像的過程包括如下步驟：

31、s41：將所述待成像樣放置在所述載物臺的樣品位移臺上，并設(shè)定所述樣品位移臺的初始位置；

32、s42：利用高精度時序控制算法控制所述動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊改變一個1波長通道，以觸發(fā)所述光譜信號采集模塊采集一張該通道下的光譜圖像；

33、s43：判斷所述動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊是否切換完所有通道，若否，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述步驟s42；若是，則觸發(fā)所述樣品位移臺沿軸x方向移動一個第一單位長度，并執(zhí)行下一步；

34、s44：判斷所述樣品位移臺沿軸x方向的位移值是否到達預(yù)設(shè)范圍極限，若否，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述步驟s42；若是，則觸發(fā)所述樣品位移臺回到所述初始位置且沿軸y方向移動一個第二單位長度，并執(zhí)行下一步；

35、s45：判斷所述樣品位移臺沿軸y方向的位移值是否到達預(yù)設(shè)范圍極限，若否，則執(zhí)行下一步；若是，則停止圖像采集；

36、s46：利用高精度時序控制算法控制所述動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊改變一個1波長通道，以觸發(fā)所述光譜信號采集模塊采集一張該通道下的光譜圖像；

37、s47：判斷所述動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊是否切換完所有通道，若否，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述步驟s46；若是，觸發(fā)所述樣品位移臺沿軸y方向移動一個所述第二單位長度，然后則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述步驟s45；

38、此方案能夠調(diào)控動態(tài)可調(diào)光譜濾波模塊遍歷所有光譜通道下的光譜圖像，直到完成對整個成像范圍內(nèi)目標(biāo)所有點位的掃描即可停止采集，最終獲得光譜圖像，確保圖像精確清晰。

39、在一種可能的實施方式中，所述光譜信號采集模塊和所述圖像信號采集模塊均為scmos傳感器；進而有助于對待測目標(biāo)的光譜及圖像信息進行實時采集，獲取掃描圖像序列及不同光譜通道下的光譜圖像。