基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于微透鏡的超分辨率光學顯微和掃描探針顯微融合技術的系統，具體地說是利用微透鏡和帶有掃描探針反饋控制機制的顯微鏡實現超分辨率動態光學顯微觀測成像，并可以實現宏、微、納無縫觀測，以及具有實時視覺反饋的納米操作。主要用于需要納米級超分辨率實時動態觀測和操作領域，包括材料、生命科學等各個領域。
【背景技術】
[0002]19世紀末，德國科學家恩斯特.阿貝對光學顯微鏡的分辨率做出了界定，認為是光波長的一半，即約為0.2微米，這就是著名的光學衍射極限。20世紀的絕大多數時間里，科學家們都相信光學顯微成像技術將永遠無法突破衍射極限的限制。但是隨著科學研宄的深入，特別是在生物科學領域，人們早已開始了對細胞內部結構的研宄，因此需要對細胞內部的組織結構進行活體觀測。電子顯微鏡只能觀測細胞干燥的死亡細胞表面，不能觀測活體細胞內部結構。近些年來，基于不同原理的光學超分辨率顯微鏡被提出，常見的包括:4pi顯微鏡，I5M顯微鏡，受激發射損耗顯微鏡和掃描近場光學顯微鏡，但是這些顯微鏡在使用過程中具有一些共同的限制:1)逐點掃描，效率低；2)不能實時成像；3)大多只能用于熒光成像；4)有些需要復雜的后續圖像處理等。
[0003]基于掃描探針類顯微鏡(原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，掃描離子電導顯微鏡)自誕生以來因其納米級分辨率就獲得了廣泛的關注和發展，但是因其掃描范圍小和成像速度慢，并且在觀測之前無法對納米尺度物體進行視覺定位，在納米操作過程中無法進行視覺反饋，因此在一定程度上限制了其更廣泛的應用。
【實用新型內容】
[0004]針對現有技術的上述不足之處，本實用新型的目的是提供基于微透鏡的光學超分辨率動態成像系統，從而實現超高分辨率動態光學顯微成像；解決掃描探針類顯微鏡的視覺定位觀測和對納米操作目標進行操作時實時視覺反饋問題。
[0005]本實用新型為實現上述目的所采用的技術方案是:基于微透鏡修飾探針的光學超分辨率動態成像系統，包括掃描探針顯微鏡和微透鏡；所述掃描探針顯微鏡的探針上設有微透鏡，掃描探針顯微鏡的納米定位機構上設有樣品臺，掃描探針顯微鏡的光學顯微鏡位于探針以及樣品臺上方。
[0006]所述微透鏡設置于探針末端。
[0007]所述微透鏡最底端位置低于探針針尖位置，或者高于探針針尖位置的距離小于I微米。
[0008]所述掃描探針顯微鏡中光學顯微鏡的物鏡放大倍數大于等于20倍。
[0009]所述掃描探針顯微鏡采用原子力顯微鏡，原子力顯微鏡中光學顯微鏡的物鏡和鏡筒間設有光路結構。
[0010]所述光路結構為反射鏡或分束器。
[0011]所述光路結構還包括偏振分束器、四分之一波片；所述偏振分束器、四分之一波片依次設于反射鏡或分束器與激光器之間。
[0012]所述光路結構還包括凸透鏡，凸透鏡設置于偏振分束器與四象限光電傳感器之間。
[0013]本實用新型具有以下有益效果及優點:
[0014]1、本實用新型采用微透鏡打破了光學衍射極限，在自然光照條件下，利用普通光學顯微鏡就能實現納米級的分辨率，為實現活體細胞內部納米結構的觀測研宄提供了有效技術手段，并且將掃描探針技術和微透鏡顯微技術相融合還能實現超分辨率動態光學顯微成像，為掃描探針顯微鏡提供視覺定位觀測和實時視覺反饋納米操作，拓展掃描探針顯微鏡的納米觀測成像及納米操作能力。
[0015]2、構建基于光學顯微鏡成像、基于微透鏡的超分辨率成像和掃描探針類顯微鏡成像的宏、微、納無縫觀測。針對待觀測的納米尺度目標，可以先利用光學顯微鏡鎖定待觀測目標的大致位置，再利用微透鏡進行超分辨率動態觀測成像，實現觀測目標的初步定位，最后利用掃描探針類顯微鏡探針進行精細掃描觀測成像，從而實現宏、微、納無縫定位觀測。
[0016]3、本實用新型可以有效解決掃描探針類顯微鏡在掃描成像初期對納米物體進行視覺觀測定位問題，以及納米操作時的實時視覺反饋問題，提高納米觀測和納米操作的效率和成功率。
[0017]4、在對納米操作對象進行實時成像時無需額外對樣品進行修飾，因而不局限于熒光成像，成像范圍不受待觀測物體的自身屬性限制。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的系統結構原理示意圖；
[0019]圖2為基于原子力顯微鏡的微球超分辨率光學成像系統結構原理圖；
[0020]圖3為微透鏡遠離樣品時在光學顯微鏡下的圖像；
[0021]圖4為柵格(寬150nm，間距150nm，高度為15nm)超分辨率光學圖像；
[0022]其中I是掃描探針顯微鏡，2是探針，3是微透鏡，4是光學顯微鏡，5是樣品臺，6是納米定位機構，7是微動機構；8是激光器，9是激光，10是偏振分束器，11是四分之一波片，12是反射鏡或分束器，13是物鏡，14是鏡筒，15是相機，16是凸透鏡，17是四象限光電傳感器，18是控制器，19是計算機，20是光路結構。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖及實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。
[0024]本實用新型將微透鏡超分辨率顯微鏡技術與掃描探針類顯微鏡技術進行有效融合，實現新的納米觀測成像系統，其實現方法如下。
[0025]首先利用微透鏡對掃描探針類顯微鏡的探針(如原子力顯微鏡的探針、掃描離子電導顯微鏡的毛細管以及掃描隧道顯微鏡)進行修飾，即將微透鏡固定于探針的合適位置。其次，根據掃描探針顯微鏡技術和微透鏡顯微成像技術構建微球超分辨率光學成像系統。然后將微透鏡修飾后的探針固定于超分辨率觀測系統上進行掃描，根據掃描探針顯微鏡的反饋控制機理實現探針與樣品的距離控制，并對樣品表面進行動態掃描。最后利用掃描探針類顯微鏡自帶的光學顯微鏡相機對微透鏡顯示的超分辨率圖像進行實時數據采集成像，就可以獲得動態的超分辨率視覺圖像。
[0026]系統結構設計如圖1?2所示。主要包括探針2，微透鏡3，樣品臺5，納米定位機構6，微動機構7，激光器8，激光9，偏振分束器10，四分之一波片11，反射鏡或分束器12，物鏡13，鏡筒14，相機15，凸透鏡16，四象限光電傳感器17，控制器18，計算機19。
[0027]其中納米定位機構6可以是納米定位平臺，也可以是具有納米定位能力的壓電陶瓷管，以及其它具有納米定位能力的運動機構。納米定位機構6至少要有豎直方向(Z方向)的位置定位能力。
[0028]其中微動機構7是具有微米或亞微米定位能力的大范圍運動平臺，運動范圍一般在1mm以上。根據系統的設計結構，微動機構7可以是一個三維的微動機構；微動機構7也可以是一個二維(X、Y方向)的運動機構，第三維(Ζ方向)用于固定光學顯微鏡。
[0029]其中帶掃描的樣品要置于樣品臺上，樣品臺5置于三維納米運動機構6上，三維納米運動機構6置于微動機構7上。這樣的機構保證了在動態掃描成像時，光學顯微鏡物鏡和探針的相對位置固定不變，實現微透鏡超分辨率穩定成像。原子力顯微鏡一個重要的組成部分就是光路系統的設計。相對于傳統原子力顯微鏡所要求的10倍或20倍物鏡，微透鏡成像要求40倍以上的高倍物鏡，因此光學顯微鏡工作距離短，并且還要滿足一定的光杠桿放大倍數。考慮到這些要求，本實用新型設計了一套有效的激光光路，如圖2所示框圖20內所不的部分。在原子力顯微鏡中光學顯微鏡4的物鏡13和鏡筒14間設有光路結構。光路結構包括偏振分束器10、四分之一波片11、反射鏡或分束器12、凸透鏡16 ;激光器8、偏振分束器10、四分之一波片11、反射鏡或分束器12依次設置，反射鏡或分束器12設于物鏡13和鏡筒14之間；偏振分束器10的豎直方向上依次設有凸透鏡16、四象限光電傳感器17，四象限光電傳感器17與控制器18連接。偏振分束器10內的分束面和反射鏡或分束器12鏡面平行。反射鏡或分束器12的輸出光路的光軸垂直于樣品臺平面。
[0030]其中激光器8是紅光激光器，激光器所發射的激光9經過偏振分束器10后只剩平行偏振激光，平行偏振光經過四分之一波片11后轉換成圓偏振光，此后圓偏振光依次經過反射鏡或分束器12和物鏡13聚焦到探針2的懸臂梁反射面上后反射的激光依次經過物鏡13和反射鏡或分束器12，再次經過四分之一波片11后轉換成了垂直偏振光，這時垂直偏振光經過偏振分束器10的反射后經過凸透鏡16投射到四象限光電傳感器17上。鏡筒14采用無限共軛鏡筒，相機15采集到微透鏡所呈現的光學圖像。反射鏡12采用紅光反射鏡。
[0031]掃描探針顯微鏡I的控制器18功能和傳統原子力顯微鏡一樣，用于四象限光電傳感器17的信號處理、系統控制、納米定位機構6和微動機構7的運動控制等，計算機19用于系統監控、相機15的視覺圖像顯示及探針掃描數據的圖形顯示等功能。
[0032]本系統的微透鏡與普通光學顯微鏡組合能夠打破光學衍射極限，實現超分辨率光學成像。將微透鏡超分辨率光學顯微技術與掃描探針顯微鏡技術實現有效融合，利用微透鏡對掃描探針類顯微鏡的探針(如原子力顯微鏡的探針、掃描離子電導顯微鏡的毛細管)進行修飾，通過掃描探針類顯微鏡的反饋控制機制實現微透鏡與樣品的距離控制，通過控制掃描探針類顯微鏡的掃描機制使微透鏡與樣品產生相對運動，實現動態觀測成像。另外，微透鏡超分辨率光學顯微技術與掃描探針顯微鏡技術實現有效融合，將實現宏、微、納無縫觀測，及具有實時視覺反饋的納米操作。
[0033]超分辨率成像是指打破光學衍射極限，所使用的微透鏡具有超分辨能力。
[0034]微透鏡對掃描探針類顯微鏡的探針進行修飾是指將微透鏡固定于掃描探針類顯微鏡探針合適位置上。
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