[发明专利]一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片及其成像方法

说明书

本发明公开了一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片及其成像方法，涉及超分辨显微领域。本发明基于块状高折射基底材料，在其上表面中心设置样品区域，在其下表面设有多圈不同角度的棱镜，将LED分别置于棱镜侧面，再将LED的正负极集成到PCB板上，通过单片机控制LED的开关。相比于外接光路的超分辨显微成像系统，将光源集成到超分辨显微芯片上可实现超分辨成像的小型化和便携性，便于应用于资源紧缺地区的医疗诊断和科研分析。相比于传统的傅里叶叠层显微成像(FPM)，利用棱镜可提高斜入射光源的光强和信噪比以及斜入射范围，引入更大横向波矢的倏逝波，可有效提高成像质量以及分辨率。

技术领域

本发明涉及超分辨显微领域，尤其涉及片上移频超分辨显微成像领域。

背景技术

传统光学显微技术在生物学、医学、材料学等领域发挥了巨大的作用，但是由于阿贝衍射极限的限制，其成像性能还无法满足这些领域高精度大范围的检测要求。为了突破光学系统的衍射极限，人们发明了一系列超分辨显微成像技术。其中，基于空间频谱移频的超分辨显微成像技术可以突破传统成像与探测器件的带宽限制，在视场大、速度快上具有显著优势。

基于空间频谱移频的超分辨显微成像技术通过拍摄一系列的低分辨率图像，将携带有空间高频的信息移入物镜数值孔径(NA)可收集的空间频域中，然后在频域中进行算法拼接，从而恢复出高分辨率的图像。

现有的移频超分辨显微成像技术有GaP-on-SiO₂集成光波导型超分辨显微技术和晶圆型超分辨显微技术等，这些技术虽能实现很高的分辨率，但其视场范围均低于毫米量级，无法满足观测生命组织较大活动范围等大视场成像需求。此外，以上技术均需要外接光路来实现对样品的照明，无法实现小型化和便携化，不适合应用于资源紧缺地区的医学诊断以及科研分析。

另外一些移频超分辨显微成像技术，比如，傅里叶叠层显微成像技术(FPM)使用一系列不同距离不同方向的LED照明采集相应的低分辨率图，可在一定程度上实现整个系统的小型化。但是，传统FPM的照明方式是通过LED经由空气入射到样品区域，其最大的横向波矢受限于空气折射率，因而能实现的最高分辨率受限。且传统FPM采用垂直照明LED，斜入射光源的光强和信噪比将会大大降低。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片及其成像方法。本发明主要是通过棱镜耦合方式提高LED斜入射到样品区域的效率和照明的横向波矢量，从而提升其成像质量和分辨率。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种基于棱镜的光源集成型超分辨显微芯片，包括基底材料和若干棱镜；所述基底材料具有两个平整且相互平行的功能面和成像面，成像面的中央用于放置样品并作为样品区域；功能面上以所述样品区域为中心，同轴设有若干圈不同角度的棱镜，以提高光源斜入射到样品区域的效率和照明的横向波矢量。

作为优选，所述成像面上除样品区域外的其他区域均做遮光处理，功能面上除棱镜所在处的其他区域均做遮光处理，以提高图像的信噪比。

进一步的，所述遮光处理采用磁控溅射镀膜等微纳加工工艺，遮光材料选用Cr、Au、Ag等光损耗较大的材料中的一种，遮光材料层的厚度应在能保证遮光效果的前提下选择最薄的厚度。

作为优选，在棱镜可加工的情况下，尽量选择在所使用的光波段折射率较高且低光损耗的材料，比如棱镜材料可以为TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、Si₃N₄、K9玻璃中的一种。折射率越高，移频量越大，具体需要根据成本、加工条件等选用。

作为优选，所述棱镜与基底材料的结合采用透明紫外胶粘法。

作为优选，为了提高LED入射到样品区域的效率，棱镜需要进行抛光处理的面有：与基底材料的接触面及与光源的接触面。