一种复合透镜光学超分辨率成像系统

1.本技术涉及光学器件技术领域，特别涉及一种复合透镜光学超分辨率成像系统。

背景技术：

2.在众多领域中光学显微镜有着极其重要的作用。但微纳米科学与生物医学的不断发展，对高分辨率的显微成像技术提出了更高要求。受限于光学衍射极限，常规光学显微镜的分辨率难以突破200nm，微球透镜辅助超分辨显微成像技术是解决这一难题简单易行的方法，样本受到光照射后，携带有纳米尺寸样品精细结构信息的近场高空间频率倏逝波被微球耦合，然后微球再将这些信息转换到远场，由物镜接收并传播到探测器上进行显示。这种方法具有无需荧光标记、直接成像、组件构成简单、成本低廉等优点。通过微球透镜与光学显微镜的简单结合实现超分辨成像。但现有微球透镜辅助超分辨成像的部分技术中，使用的半球透镜在成像时放大率有限，低倍物镜观察不到图像，所以必须使用高倍物镜，但是高倍物镜焦距短、视场小，限制了基于不同倍数物镜实现超分辨成像的应用空间。

技术实现要素：

3.鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种拓展基于不同倍数物镜实现超分辨成像的应用空间的复合透镜光学超分辨率成像系统。
4.为解决上述问题，本技术采用下述技术方案：
5.本技术提供了一种复合透镜光学超分辨率成像系统，包括：三维纳米位移台单元、微球探针单元、半球透镜单元、光学显微镜及计算机，其中：
6.所述微球探针单元包括微球透镜，所述三维纳米位移台单元可移动和控制所述微球透镜在x、y、z三个坐标轴方向上的位置；所述半球透镜单元包括涂覆在待测样品上的薄膜及形成于所述薄膜上的半球透镜；所述光学显微镜包括载物台，所述载物台上设置有所述待测样品，所述光学显微镜用于接收所述半球透镜及所述微球透镜的超分辨信息，所述计算机用于接收和处理所述超分辨信息。
7.在其中一些实施例中，所述三维纳米位移台单元包括三维纳米位移台、固定于所述三维纳米位移台上的连接杆、与所述连接杆固定连接的光学调整架及与所述光学调整架固定连接的支架，所述三维纳米平移台为三轴挠性位移台。
8.在其中一些实施例中，所述微球探针单元还包括金属柄或光纤柄或探针，所述微球透镜固定于所述金属柄或光纤柄或探针上，所述金属柄或光纤柄或探针与所述支架固定连接。
9.在其中一些实施例中，所述微球透镜通过粘结剂粘结于所述金属柄或光纤柄或探针上。
10.在其中一些实施例中，所述微球透镜在被液体浸没时可使用钛酸钡或硫化砷微球，在非浸没时可使用二氧化硅或聚苯乙烯微球。
11.在其中一些实施例中，所述微球透镜还可以固定在微量移液尖端，或者嵌入聚
合物薄膜中，或者固定在显微物镜上。
12.在其中一些实施例中，所述薄膜为旋涂在所述待测样品上的可固化聚合物胶，所述可固化聚合物胶包括聚二甲基硅氧烷胶。
13.在其中一些实施例中，所述半球透镜可以为疏水性物质或者由所述微球透镜切割后形成的半球。
14.在其中一些实施例中，所述光学显微镜还包括设置于所述载物台下方的载物台纵向移动旋钮及载物台横向移动旋钮、设置于所述载物台侧边的高度粗调旋钮及载物台高度细调旋钮、显微物镜、连接所述显微物镜的物镜转换器、与所述物镜转换器固定连接的观察头、固定于所述观察头的目镜、固定于所述观察头的镜筒、与所述镜筒连接的电荷耦合元件ccd。
15.在其中一些实施例中，所述计算机电性连接所述电荷耦合元件ccd。
16.本技术采用上述技术方案，其有益效果如下：
17.本技术提供的复合透镜光学超分辨率成像系统，将微球透镜固定在三维纳米位移台单元上，同时在样品表面涂覆薄膜，将能在薄膜上因为液滴表面张力自然形成半球的半球透镜转移到薄膜上，当三维纳米位移台单元将微球透镜移动到薄膜上方半球透镜的竖直方向，当光照射样品表面时，半球透镜实现初级超分辨成像，之后通过微球透镜实现次级放大，将图像传输至显微镜物镜，达到突破衍射极限，提高光学显微镜分辨率和放大率的目的的方法。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本技术实施例1提供的复合透镜光学超分辨率成像系统的结构示意图。
20.图2为本技术实施例1提供的三维纳米位移台单元的结构示意图。
21.图3为本技术实施例1提供的所述微球探针单元的结构示意图。
22.图4为本技术实施例1提供的所述半球透镜单元的正视图。
23.图5为本技术实施例1提供的所述半球透镜单元的俯视图。
具体实施方式
24.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
25.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
28.实施例1
29.请参阅图1，为本实施例1提供的一种复合透镜光学超分辨率成像系统的结构示意图，包括：三维纳米位移台单元10、微球探针单元20、半球透镜单元30、光学显微镜40及计算机50。所述微球探针单元10包括微球透镜21，所述三维纳米位移台单元20可移动和控制所述微球透镜21在x、y、z三个坐标轴方向上的位置；所述半球透镜单元30包括涂覆在待测样品31上的薄膜32及形成于所述薄膜32上的半球透镜33；所述光学显微镜40包括载物台41，所述载物台41上设置有所述待测样品31，所述光学显微镜40用于接收所述半球透镜及所述微球透镜的超分辨信息，所述计算机50用于接收和处理所述样品图像。以下详细说明各个部件间的连接关系及其具体实现方式。
30.请参阅图2，三维纳米位移台单元10包括三维纳米位移台11、固定于所述三维纳米位移台11上的连接杆12、与所述连接杆12固定连接的光学调整架13及与所述光学调整架13固定连接的支架14，所述三维纳米平移台11为三轴挠性位移台，支架14可以是直角支架也可以为具有倾斜角度的支架。
31.可以理解，三维纳米平移台11可用于移动和控制微球透镜11在x、y、z三个坐标轴方向上的位置，光学调整架13用于调节微球透镜11的俯仰和倾斜角度，支架14用于刚性连接微球透镜11和光学调整架13。
32.请参阅图3，所述微球探针单元20包括微球透镜21及金属柄22(或光纤柄或探针)。所述微球透镜21固定于所述金属柄22上，所述金属柄与所述支架14固定连接。
33.进一步地，所述微球透镜21通过粘结剂粘结于所述金属柄22上。粘结剂可选任何具有粘结作用和可固化的物质。
34.进一步地，所述微球透镜21在被液体浸没时可使用钛酸钡或硫化砷微球，在非浸没时可使用二氧化硅或聚苯乙烯微球。
35.进一步地，所述微球透镜21还可以固定在微量移液尖端，或者嵌入聚合物薄膜中，或者固定在显微物镜上。
36.请参阅图4及图5，所述半球透镜单元30包括涂覆在待测样品31上的薄膜32及形成于所述薄膜32上的半球透镜33。
37.进一步地，所述薄膜32为旋涂在所述待测样品上的可固化聚合物胶，所述可固化聚合物胶包括聚二甲基硅氧烷胶。
38.进一步地，所述半球透镜33可以为疏水性物质或者由所述微球透镜33切割后形成的半球。
39.请再参阅图1，所述光学显微镜40还包括设置于所述载物台41下方的载物台纵向移动旋钮42及载物台横向移动旋钮43、设置于所述载物台41侧边的高度粗调旋钮44及载物台高度细调旋钮45、显微物镜46、连接所述显微物镜46的物镜转换器47、与所述物镜转换器47固定连接的观察头48、固定于所述观察头48的目镜49、固定于所述观察头48的镜筒410、
与所述镜筒410连接的电荷耦合元件ccd 412，所述计算机电性50连接所述电荷耦合元件ccd412。
40.本技术上述实施例1提供的复合透镜光学超分辨率成像系统，将微球透镜固定在三维纳米位移台单元上，同时在样品表面涂覆薄膜，将能在薄膜上因为液滴表面张力自然形成半球的半球透镜转移到薄膜上，当三维纳米位移台单元将微球透镜移动到薄膜上方半球透镜的竖直方向，当光照射样品表面时，半球透镜实现初级超分辨成像，之后通过微球透镜实现次级放大，将图像传输至显微镜物镜，达到突破衍射极限，提高光学显微镜分辨率和放大率的目的的方法。
41.实施例2
42.本技术实施例1提供的复合透镜光学超分辨率成像系统，具体成像方法为：
43.s1、三维纳米移动台11通过接杆12间接控制光学调整架13以及支架14的位置，利用螺丝15将支架14固定在光学调整架13上。三维纳米平移台11为三轴挠性位移台，每轴最大行程为4mm，粗调行程4mm、细调行程300μm、精细调节分辨率100nm。光学调整架13为带有m4安装螺孔和角度范围
±4°
的紧凑型光学调整架；螺丝15为m4的不锈钢带帽螺丝，支架14为厚度2mm的“l型”铝质支架，其长边和短边长度分别为160mm和14mm；
44.s2、微球探针中的金属柄22和微球透镜21由粘结剂粘结，金属柄22用胶带23固定在支架14上。将旋涂了可固化聚合物薄膜32的待测样品31和利用光纤转移到膜上的受表面张力自然形成的半球透镜33，固化后利用所述三维纳米移动平台11，使所述微球透镜21与半球透镜33在竖直方向上轴心重合。
45.s3、样品31以及薄膜32和上面的半球透镜33放置在载物台41上，通过载物台纵向移动旋钮42和载物台横向移动旋钮43控制载物台41和台上待测样品31在水平方向同步移动。载物台高度粗调旋钮44和载物台高度细调旋钮45调节载物台41和其上样品31的高度。载物台高度粗调旋钮44的调节范围约为24mm，每旋转一圈载物台高度约变化2mm，载物台高度细调旋钮45每旋转一圈载物台高度约变化200μm。
46.s4、5
×
、10
×
、40
×
、63
×
和100
×
等不同放大倍率和数值孔径的显微物镜46安装在物镜转换器47上，利用显微物镜46接收经过半球透镜33初级放大和微球透镜21次级放大的小于衍射极限尺度的样品31的超分辨图像；
47.s5、所成的像经物镜46传播至目镜49，或利用镜筒410上端电荷耦合元件ccd探测器412及计算机50得到数字格式图像。
48.本技术上述实施例2提供的复合透镜光学超分辨率成像方法，将微球透镜固定在三维纳米位移台单元上，同时在样品表面涂覆薄膜，将能在薄膜上因为液滴表面张力自然形成半球的半球透镜转移到薄膜上，当三维纳米位移台单元将微球透镜移动到薄膜上方半球透镜的竖直方向，当光照射样品表面时，半球透镜实现初级超分辨成像，之后通过微球透镜实现次级放大，将图像传输至显微镜物镜，达到突破衍射极限，提高光学显微镜分辨率和放大率的目的的方法。且上述操作方法简单、系统简易、操作和实现容易，能在花费较少的情况下，改进光学显微镜性能。
49.可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
50.以上仅为本技术的较佳实施例而已，仅具体描述了本技术的技术原理，这些描述只是为了解释本技术的原理，不能以任何方式解释为对本技术保护范围的限制。基于此处解释，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本技术的其他具体实施方式，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，包括：三维纳米位移台单元、微球探针单元、半球透镜单元、光学显微镜及计算机，其中：所述微球探针单元包括微球透镜，所述三维纳米位移台单元可移动和控制所述微球透镜在x、y、z三个坐标轴方向上的位置；所述半球透镜单元包括涂覆在待测样品上的薄膜及形成于所述薄膜上的半球透镜；所述光学显微镜包括载物台，所述载物台上设置有所述待测样品，所述光学显微镜用于接收所述半球透镜及所述微球透镜的超分辨信息，所述计算机用于接收和处理所述超分辨信息。2.如权利要求1所述的复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，所述三维纳米位移台单元包括三维纳米位移台、固定于所述三维纳米位移台上的连接杆、与所述连接杆固定连接的光学调整架及与所述光学调整架固定连接的支架，所述三维纳米平移台为三轴挠性位移台。3.如权利要求2所述的复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，所述微球探针单元还包括金属柄或光纤柄或探针，所述微球透镜固定于所述金属柄或光纤柄或探针上，所述金属柄或光纤柄或探针与所述支架固定连接。4.如权利要求3所述的复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，所述微球透镜通过粘结剂粘结于所述金属柄或光纤柄或探针上。5.如权利要求1所述的复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，所述微球透镜在被液体浸没时可使用钛酸钡或硫化砷微球，在非浸没时可使用二氧化硅或聚苯乙烯微球。6.如权利要求1所述的复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，所述微球透镜还可以固定在微量移液尖端，或者嵌入聚合物薄膜中，或者固定在显微物镜上。7.如权利要求1所述的复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，所述薄膜为旋涂在所述待测样品上的可固化聚合物胶，所述可固化聚合物胶包括聚二甲基硅氧烷胶。8.如权利要求1所述的复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，所述半球透镜可以为疏水性物质或者由所述微球透镜切割后形成的半球。9.如权利要求1所述的复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，所述光学显微镜还包括设置于所述载物台下方的载物台纵向移动旋钮及载物台横向移动旋钮、设置于所述载物台侧边的高度粗调旋钮及载物台高度细调旋钮、显微物镜、连接所述显微物镜的物镜转换器、与所述物镜转换器固定连接的观察头、固定于所述观察头的目镜、固定于所述观察头的镜筒、与所述镜筒连接的电荷耦合元件ccd。10.如权利要求9所述的复合透镜光学超分辨率成像系统，其特征在于，所述计算机电性连接所述电荷耦合元件ccd。

技术总结

本申请提供的复合透镜光学超分辨率成像系统，将微球透镜固定在三维纳米位移台单元上，同时在样品表面涂覆薄膜，将能在薄膜上因为液滴表面张力自然形成半球的半球透镜转移到薄膜上，当三维纳米位移台单元将微球透镜移动到薄膜上方半球透镜的竖直方向，当光照射样品表面时，半球透镜实现初级超分辨成像，之后通过微球透镜实现次级放大，将图像传输至显微镜物镜，达到突破衍射极限，提高光学显微镜分辨率和放大率的目的的方法。辨率和放大率的目的的方法。辨率和放大率的目的的方法。