[实用新型]一种基于半球微结构的超分辨显微装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学仪器领域、生物医学显微成像领域，具体为一种基于半球微结构的超分辨显微装置。

背景技术

目前在生物医药领域的研究对分辨率的要求越来越高，研究人员需要了解各种纳米尺度上的微小形态物质的三维结构信息。然而由于衍射极限的存在，光束在进行聚焦时所得到的聚焦光斑都在半波长以上，严重限制了生物医学光学纳米领域的科学研究和发展。为了解决上述问题，研究人员提出了超分辨显微技术，目前的超分辨显微技术中，研究热点大多集中于各类荧光显微技术方面，诸如受激发射损耗(STED：Stimulated Emission Depletion Microscopy)荧光显微技术和单分子定位荧光显微镜(SMS：Single Molecule Spectroscopy)等。

上述的显微技术，虽然可以实现超分辨成像，但是仍存在着不足之处。其中，STED系统中有激发光和损耗光两类光，在激发光斑和中空损耗光斑的叠加的区域，受到损耗的荧光粒子失去发射荧光光子的能量，而剩下的可发射荧光区被限制在小于衍射极限区域内。这种超分辨实现方式对光功率要求很高，易造成荧光分子的漂白，同时系统复杂，搭建成本高。而SMS显微镜需要通过对单分子逐渐点亮的方式事先超分辨，成像速度慢，并且后续数据处理工作量大，不能实时的成像。

实用新型内容

本实用新型针对之前超分辨显微技术中存在的对光功率要求过高、系统结构复杂、搭建成本较高以及成像速度慢等问题，提出了一种基于半球微结构的超分辨显微装置，该装置利用了半球微结构的亚波长聚焦效应实现了超分辨显微技术。

为了实现上述实用新型目的，本专利包含以下技术方案：

一种基于半球微结构的超分辨显微装置，包括激光器、第一偏振分束镜、第二偏振分束镜、第一反射镜、第二反射镜、半波片、上物镜、下物镜和探测器。所述的上物镜和下物镜之间设有用于聚焦光线的半球微结构和用于承载样品的样品台。所述半球微结构为对称结构，包括第一半球和第二半球，所述样品台位于第一半球和第二半球之间。

激光器发射的光束照射到第一偏振分束镜上，被第一偏振分束镜分为两束振动方向互相垂直的偏振分束，分别为第一偏振分束和第二偏振分束。其中，第一偏振分束穿过第一偏振分束镜后，其振动方向垂直于纸面，之后第一偏振分束沿原光束方向照射到第一反射镜上，被第一反射镜反射后，由上物镜聚焦在承载样品的样品台上表面附近；第二偏振分束被第一偏振分束镜反射后，其振动方向垂直于第二偏振分束的光束传播方向和第一偏振分束振动方向所构成的平面，而后第二偏振分束照射到第二反射镜上，被反射到第二偏振分束镜，接着第二偏振分束镜反射第二偏振分束，第二偏振分束经过半波片调制，振动方向被调制为垂直于纸面方向，接着第二偏振分束被下物镜聚焦在承载样品的样品台下表面。

所述振动方向为光束的电场振动方向。

第一偏振分束、第二偏振分束分别由上、下物镜聚焦在承载样品的样品台上、下表面附近，分别在各自聚焦位置形成光势阱捕获半球微结构中的第一半球和第二半球，使得两半球固定在上下物镜间的样品台的上下表面。同时，第一偏振分束、第二偏振分束通过上述光路后，会分别被第一半球和第二半球耦合，在第一半球和第二半球之间形成超分辨聚焦光斑，照射在样品台上的样品表面。样品的探测的光经过半波片后，被下物镜收集，穿过第二偏振分束镜被探测器探测，得到显示样品结构的光斑。在进行检测时，半球微结构和上、下物镜保持不动，通过移动样品台来实现扫描成像。

所述第一半球和第二半球的结构可以利用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)进行计算和优化，实现超分辨聚焦光斑。

所述超分辨聚焦光斑，指聚焦光斑的半高宽的大小小于或等于激光器发射波长的二分之一。

所述半高宽是指光强强度为最大光强一半时，所对应的聚焦光斑的宽度。

作为优选，激光器所选用的激光波长为632nm。

作为优选，样品台和第一半球之间、样品台和第二半球之间可以添加纯水，提高能量利用率。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的基于半球微结构的超分辨显微装置，具有如下有益效果：

1、本实用新型采用半球微结构，无需复杂的光路即可实现超分辨成像，结构简单，搭建方便。

2、本实用新型直接扫描即可得到样品的整体结构，无需后续数据处理，可实现所见即所得，操作简便。

附图说明

图1为本专利基于半球微结构的超分辨显微装置的具体实施方式的示意图；