本發(fā)明涉及光學(xué)儀器領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)顯微成像領(lǐng)域，具體為一種基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置。

背景技術(shù)：

目前在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究對分辨率的要求越來越高，研究人員需要了解各種納米尺度上的微小形態(tài)物質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)信息。然而由于衍射極限的存在，光束在進(jìn)行聚焦時所得到的聚焦光斑都在半波長以上，嚴(yán)重限制了生物醫(yī)學(xué)光學(xué)納米領(lǐng)域的科學(xué)研究和發(fā)展。為了解決上述問題，研究人員提出了超分辨顯微技術(shù)，目前的超分辨顯微技術(shù)中，研究熱點大多集中于各類熒光顯微技術(shù)方面，諸如受激發(fā)射損耗(sted：stimulatedemissiondepletionmicroscopy)熒光顯微技術(shù)和單分子定位熒光顯微鏡(sms：singlemoleculespectroscopy)等。

上述的顯微技術(shù)，雖然可以實現(xiàn)超分辨成像，但是仍存在著不足之處。其中，sted系統(tǒng)中有激發(fā)光和損耗光兩類光，在激發(fā)光斑和中空損耗光斑的疊加的區(qū)域，受到損耗的熒光粒子失去發(fā)射熒光光子的能量，而剩下的可發(fā)射熒光區(qū)被限制在小于衍射極限區(qū)域內(nèi)。這種超分辨實現(xiàn)方式對光功率要求很高，易造成熒光分子的漂白，同時系統(tǒng)復(fù)雜，搭建成本高。而sms顯微鏡需要通過對單分子逐漸點亮的方式事先超分辨，成像速度慢，并且后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量大，不能實時的成像。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對之前超分辨顯微技術(shù)中存在的對光功率要求過高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、搭建成本較高以及成像速度慢等問題，提出了一種基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置，該裝置利用了半球微結(jié)構(gòu)的亞波長聚焦效應(yīng)實現(xiàn)了超分辨顯微技術(shù)。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本專利包含以下技術(shù)方案：

一種基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置，包括激光器、第一偏振分束鏡、第二偏振分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、半波片、上物鏡、下物鏡和探測器。所述的上物鏡和下物鏡之間設(shè)有用于聚焦光線的半球微結(jié)構(gòu)和用于承載樣品的樣品臺。所述半球微結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，包括第一半球和第二半球，所述樣品臺位于第一半球和第二半球之間。

激光器發(fā)射的光束照射到第一偏振分束鏡上，被第一偏振分束鏡分為兩束振動方向互相垂直的偏振分束，分別為第一偏振分束和第二偏振分束。其中，第一偏振分束穿過第一偏振分束鏡后，其振動方向垂直于紙面，之后第一偏振分束沿原光束方向照射到第一反射鏡上，被第一反射鏡反射后，由上物鏡聚焦在承載樣品的樣品臺上表面附近；第二偏振分束被第一偏振分束鏡反射后，其振動方向垂直于第二偏振分束的光束傳播方向和第一偏振分束振動方向所構(gòu)成的平面，而后第二偏振分束照射到第二反射鏡上，被反射到第二偏振分束鏡，接著第二偏振分束鏡反射第二偏振分束，第二偏振分束經(jīng)過半波片調(diào)制，振動方向被調(diào)制為垂直于紙面方向，接著第二偏振分束被下物鏡聚焦在承載樣品的樣品臺下表面。

所述振動方向為光束的電場振動方向。

第一偏振分束、第二偏振分束分別由上、下物鏡聚焦在承載樣品的樣品臺上、下表面附近，分別在各自聚焦位置形成光勢阱捕獲半球微結(jié)構(gòu)中的第一半球和第二半球，使得兩半球固定在上下物鏡間的樣品臺的上下表面。同時，第一偏振分束、第二偏振分束通過上述光路后，會分別被第一半球和第二半球耦合，在第一半球和第二半球之間形成超分辨聚焦光斑，照射在樣品臺上的樣品表面。樣品的探測的光經(jīng)過半波片后，被下物鏡收集，穿過第二偏振分束鏡被探測器探測，得到顯示樣品結(jié)構(gòu)的光斑。在進(jìn)行檢測時，半球微結(jié)構(gòu)和上、下物鏡保持不動，通過移動樣品臺來實現(xiàn)掃描成像。

所述第一半球和第二半球的結(jié)構(gòu)可以利用時域有限差分法(finite-differencetime-domain，fdtd)進(jìn)行計算和優(yōu)化，實現(xiàn)超分辨聚焦光斑。

所述超分辨聚焦光斑，指聚焦光斑的半高寬的大小小于或等于激光器發(fā)射波長的二分之一。

所述半高寬是指光強強度為最大光強一半時，所對應(yīng)的聚焦光斑的寬度。

作為優(yōu)選，激光器所選用的激光波長為632nm。

作為優(yōu)選，樣品臺和第一半球之間、樣品臺和第二半球之間可以添加純水，提高能量利用率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用了上述技術(shù)方案的基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置，具有如下有益效果：

1、本發(fā)明采用半球微結(jié)構(gòu)，無需復(fù)雜的光路即可實現(xiàn)超分辨成像，結(jié)構(gòu)簡單，搭建方便。

2、本發(fā)明直接掃描即可得到樣品的整體結(jié)構(gòu)，無需后續(xù)數(shù)據(jù)處理，可實現(xiàn)所見即所得，操作簡便。

附圖說明

圖1為本專利基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置的具體實施方式的示意圖；

其中：2、激光器；31、第一偏振分束鏡；32、第二偏振分束鏡；41、第一反射鏡；42、第二反射鏡；5、半波片；6、上物鏡；7、下物鏡；8、探測器。

圖2為圖1中a處的半球微結(jié)構(gòu)的放大圖；

其中：11、第一半球；12、第二半球；13、樣品臺。

圖3為具體實施方式中，第一偏振分束、第二偏振分束經(jīng)半球微結(jié)構(gòu)耦合后的電場分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖說明本專利，但本專利并不限于此。

如圖1所示的是本專利基于半球微結(jié)構(gòu)的超分辨顯微裝置示意圖，包括激光器2、第一偏振分束鏡31、第二偏振分束鏡32、第一反射鏡41、第二反射鏡42、半波片5、上物鏡6、下物鏡7和探測器8。

其中，激光器選用百思佳特公司的xt71580型氦氖激光器，工作波長為632nm。

激光器2發(fā)射光束照射到第一偏振分束鏡31上，被第一偏振分束鏡31分為兩束振動方向互相垂直的偏振分束，分別為第一偏振分束和第二偏振分束。

其中，第一偏振分束穿過第一偏振分束鏡31后，其電場振動方向垂直于紙面，之后第一偏振分束沿原光束方向照射到第一反射鏡41上，被第一反射鏡41反射后，由上物鏡6聚焦在承載樣品的樣品臺13上表面附近；第二偏振分束被第一偏振分束鏡31反射后，其電場振動方向垂直于第二偏振分束的光束傳播方向和第一偏振分束振動方向所構(gòu)成的平面，而后第二偏振分束照射到第二反射鏡42上，被反射到第二偏振分束鏡32，接著第二偏振分束鏡32反射第二偏振分束，第二偏振分束經(jīng)過半波片5調(diào)制，電場振動方向被調(diào)制為垂直于紙面方向，接著第二偏振分束鏡被下物鏡7聚焦在承載樣品的樣品臺13下表面。

本實施例中，上物鏡6、下物鏡7可選用奧林巴斯公司的uplsap0100xs超級復(fù)消色差物鏡，放大倍率100倍，數(shù)值孔徑1.35。如圖2為半球微結(jié)構(gòu)示意圖，半球微結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，包括第一半球11和第二半球12，位于上物鏡6和下物鏡7之間。第一半球11和第二半球12之間設(shè)有用于承載樣品的樣品臺13。第一偏振分束、第二偏振分束分別由上物鏡6和下物鏡7聚焦在承載樣品的樣品臺13上、下表面附近后，分別在各自聚焦位置形成光勢阱捕獲半球微結(jié)構(gòu)中的第一半球11和第二半球12，使得兩半球固定在上物鏡6和下物鏡7間的樣品的上下表面。

同時，第一偏振分束、第二偏振分束通過上述光路后，會分別被第一半球11和第二半球12耦合，本實施例中第一半球11、第二半球12的材料選取為sio2，利用時域有限差分法(finite-differencetime-domain，fdtd)計算并優(yōu)化第一半球11和第二半球12的尺寸。經(jīng)過計算，本實施例中第一半球11、第二半球12半徑均為1um。

圖3為本實施例中，第一偏振分束、第二偏振分束經(jīng)半球微結(jié)構(gòu)耦合后的電場分布圖。第一半球11、第二半球12按圖2位置擺放，水平向右為圖3中x軸正方向，球心連線向上為圖3中y軸正方向。利用origin軟件對圖3中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到在上述仿真條件下半球微結(jié)構(gòu)的聚焦光斑x軸方向的半高寬為295nm，小于激光器2波長的二分之一，達(dá)到超分辨聚焦效果，可在第一半球11和第二半球12之間形成超分辨聚焦光斑，照射在樣品臺13上的樣品表面。樣品的探測光經(jīng)過半波片5后，被下物鏡7收集，穿過第二偏振分束鏡32被探測器8探測，得到顯示樣品結(jié)構(gòu)的光斑。在進(jìn)行檢測時，由于激光光束聚焦位置形成光勢阱的捕獲，半球微結(jié)構(gòu)中半球微結(jié)構(gòu)和上、下物鏡保持不動，通過移動樣品臺13來實現(xiàn)掃描成像。樣品臺13和第一半球11之間、樣品臺13和第二半球12之間添加純水，提高能量利用率。

最后需要說明的是，以上實施方式僅用以說明本專利的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說不脫離本專利原理的前提下，還可以做出若干變型和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本專利的保護(hù)范圍。