[发明专利]一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统及成像方法

权利要求书

1.一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统，其特征在于，该系统包括：倏逝场移频成像芯片(104)及其发光控制单元(106)、彩色相机(101)、图像存储和重构计算单元(105)、物镜(103)和透镜(102)，所述物镜(103)和透镜(102)将样品的移频散射像共轭成像到彩色相机(101)，图像存储和重构计算单元(105)对彩色相机(101)记录到的移频散射图进行重构，得到样品的超分辨显微图；

光电集成的倏逝场移频成像芯片(104)，用于支撑所需观察的微纳尺寸样品及产生倏逝场照明该样品；倏逝场移频成像芯片(104)由芯片衬底(201)、波导层(202)和发光层组成；发光层在倏逝场移频成像芯片(104)的表面围成一圈多边形发光区域，构成片上发光器件，片上发光器件的每条发光边可单独控制；

所述倏逝场移频成像芯片的发光控制单元(106)，用于控制围成多边形的片上发光器件每条发光边的发光顺序；

所述物镜(103)，用于收集微纳尺寸样品被倏逝场移频后的散射光；

所述透镜(102)，用于将物镜收集的散射光成像到彩色相机(101)；

所述彩色相机(101)，用于记录微纳尺寸样品移频后的散射光；

所述图像存储和重构计算单元(105)，用于存储彩色相机(101)记录的样品移频后的低频散射光，并进行图像重构，恢复出超分辨图像；

所述图像重构过程包括：

(1)将彩色相机(101)记录的散射图按照颜色通道分离；

(2)根据需要对分离出的三通道进行插值处理，其中每个颜色通道代表不同的移频量；

(3)将得到的各个方向的、具有各个移频量的移频图像在频谱区域进行迭代拼接，最后进行逆傅里叶变换得到一张超分辨图像。

2.根据权利要求1所述的一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统，其特征在于，该系统应用于成像速度大于40Hz的倏逝场成像。

3.根据权利要求1所述的一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统，其特征在于，所述片上发光器件可以是芯片集成的有机发光白光二极管、半导体白光二极管，或者是通过光纤、波导外界耦合的白光光源；片上发光器件所采用的发光材料为半导体量子点或稀土掺杂材料；所述发光层由三种具有不同禁带宽度的材料混合而成，分别能发出红绿蓝三色光，其材料配置比例保证最终耦合进光波导的强度接近于1:1:1。

4.根据权利要求1所述的一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统，其特征在于，倏逝场移频成像芯片(104)产生三种波长倏逝场照明样品，波长的选取需要满足移频在频谱域具有一定的重叠量，以保证最优的成像效果。

5.根据权利要求1所述的一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统，其特征在于，为了将片上发光器件发出的光耦合到波导层(202)中，发光层中的下电极选用透明导电材料；包括ITO、ZnO。

6.根据权利要求1所述的一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统，其特征在于，所述倏逝场移频成像芯片(104)的波导层材料包括TiO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅或Si₃N₄。

7.根据权利要求1所述的一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统，其特征在于，发光层围成的多边形尺寸由光在波导层(202)中的横向传输距离决定；即相对两条边的间距小于光在波导中的传输距离的两倍，以保证相对两边的发光能有效传输到中心区域与样品相互作用。

8.根据权利要求1所述的一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统，其特征在于，为了提高片上发光器件与波导层(202)的倏逝场耦合效率，倏逝场移频成像芯片(104)的成像区域增镀一层波导，使一部分光得以从发光层耦合到成像区域的波导。

9.根据权利要求1所述的一种高速倏逝场移频超分辨显微成像系统，其特征在于，彩色相机的像素尺寸需要跟物镜的数值孔径相匹配，满足奈奎斯特采样定理。

10.一种基于权利要求1所述高速倏逝场移频超分辨显微成像系统的成像方法，其特征在于，该方法包括：

(1)将制备的微纳尺寸样品放置在片上发光器件所围成的多边形的中间，片上发光器件的发光层发出红绿蓝三色光；

(2)分别将位于多边形上每条边的三色片上发光器件点亮；

(3)片上发光器件发出的三色光耦合到波导层(202)中，并在波导表面产生倏逝场；传输到样品区域的倏逝场将会与样品发生光学衍射作用，产生的散射光即样品在照明方向的高频信息；其移频量由倏逝场的有效折射率决定；通过物镜(103)和透镜(102)将散射光成像到彩色相机(101)；

(4)彩色相机(101)分别记录每个照明方向的散射光，存储为raw格式，传输到图像存储和重构计算单元(105)；

(5)通过图像存储和重构计算单元(105)将彩色相机(101)记录的彩色移频图按照颜色通道分离；根据需要对分离出的三通道进行插值处理，其中每个颜色通道代表不同的移频量；将得到的各个方向的，具有各个移频量的移频图像在频谱区域进行迭代拼接，最后进行逆傅里叶变换得到一张超分辨图。