專利名稱：一種超高分辨率的光學(xué)顯微成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)顯微技術(shù)領(lǐng)域，特別地涉及一種超高分辨率的光學(xué)顯微成像裝置。
背景技術(shù)：
隨著微納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)能在細(xì)胞、納米乃至原子水平上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行觀察和研究的儀器的要求越來越高。盡管近幾十年發(fā)展起來的掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)和近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)的分辨率可以達(dá)到微納米級(jí)，但也存在設(shè)備龐大、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，同時(shí)，它們所獲得的樣品圖像是經(jīng)過掃描并重建的，無法實(shí)現(xiàn)光學(xué)顯微鏡那樣對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)而直接的觀察成像。因此許多科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的仍是一般的光學(xué)顯微鏡。不過，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡其分辨率受到光學(xué)衍射的限制。根據(jù)瑞利判據(jù)，兩個(gè)被照明的物體，只有它們之間的距離d大于0.61λ/(Ν.Α.)時(shí)才能被區(qū)分開，其中λ表示入射光波長(zhǎng)，N. Α.表示數(shù)值孔徑，即為物方折射率η與物鏡在樣品一側(cè)的半孔徑角正弦sine的乘積。因此提高光學(xué)顯微鏡分辨率的途徑主要有兩個(gè)，一是縮短入射光的波長(zhǎng)λ，二是提高顯微鏡的數(shù)值孔徑N. Α.，包括通過設(shè)計(jì)復(fù)合透鏡加大顯微物鏡的孔徑角θ和采用油浸物鏡增大物鏡與樣品之間的折射率η。單純?cè)龃罂讖浇侵荒苁筃. Α.增大到0.95，即使采用油浸物鏡，N. Α.最大也只能到1.5。而且使用上述方法在原來的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步提高光學(xué)顯微鏡的分辨率必然會(huì)使設(shè)備的技術(shù)難度和成本都急劇的上漲。本實(shí)用新型提出和發(fā)展了一種超高分辨率的光學(xué)顯微成像方法，建立超高分辨率的光學(xué)顯微成像裝置。采用窄帶濾光、 環(huán)形孔徑及暗視場(chǎng)照明相結(jié)合的特種照明及顯微成像方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米尺寸物質(zhì)的超高分辨率和高對(duì)比度的顯微成像，滿足在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)等國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展各領(lǐng)域的需求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有光學(xué)顯微技術(shù)的不足，提供一種超高分辨率的光學(xué)顯微成像裝置。超高分辨率的光學(xué)顯微成像裝置包括環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置、CXD圖像傳感器、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)、電源、粗調(diào)焦旋鈕、細(xì)調(diào)焦旋鈕、光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕和支架；支架上設(shè)有環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置、粗調(diào)焦旋鈕、細(xì)調(diào)焦旋鈕和光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕；環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置、CXD圖像傳感器、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)和電源順次相連；環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置包括LED強(qiáng)光源、窄帶濾光片、擋光板、環(huán)形透光孔、聚光鏡、樣品臺(tái)、遮光圓片、顯微物鏡、目鏡和轉(zhuǎn)接透鏡；在同一光軸上依次設(shè)有LED強(qiáng)光源、窄帶濾光片、擋光板、環(huán)形透光孔、聚光鏡、樣品臺(tái)、遮光圓片、顯微物鏡、目鏡、轉(zhuǎn)接透鏡。本實(shí)用新型的超高分辨率的光學(xué)顯微成像裝置，其優(yōu)點(diǎn)是既保持常規(guī)光學(xué)顯微鏡的實(shí)時(shí)、直接、無掃描的成像觀測(cè)方式，同時(shí)提供更高的分辨率和更好的圖像對(duì)比度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成本低，技術(shù)條件易于實(shí)現(xiàn)。采用窄帶濾光、環(huán)形孔徑及暗視場(chǎng)照明相結(jié)合的特種照明及顯微成像方法，同時(shí)設(shè)計(jì)了不同數(shù)值孔徑、透過率和濾色特性的環(huán)形透光孔徑，使顯微鏡分辨率突破了瑞利衍射極限分辨率，而且獲得的顯微圖像對(duì)比度好，可望在微納米檢測(cè)、 生物醫(yī)學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷、以及材料學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖1為超高分辨率光學(xué)顯微成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖及系統(tǒng)框圖；圖2為超高分辨率光學(xué)顯微成像光路圖；圖3為實(shí)施例1擋光板及環(huán)形透光孔徑系列圖；圖4為實(shí)施例2擋光板及環(huán)形透光孔徑系列圖；圖中環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置1、LED強(qiáng)光源2、窄帶濾光片3、擋光板4、環(huán)形透光孔5、聚光鏡6、樣品臺(tái)7、遮光圓片8、顯微物鏡9、目鏡10、轉(zhuǎn)接透鏡11、CXD圖像傳感器12、圖像采集卡13、計(jì)算機(jī)14、電源15、粗調(diào)焦旋鈕16、細(xì)調(diào)焦旋鈕17、光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕18、支架19。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型是以透射式遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)顯微鏡為主體，在聚光鏡前引入窄帶濾光片(如中心波長(zhǎng)約為430nm，帶寬lOnm)和環(huán)形孔徑。LED強(qiáng)光源發(fā)出的平行照明光，通過窄帶濾光片獲得短波長(zhǎng)(如波長(zhǎng)430nm左右)的入射光，可以有效提高顯微系統(tǒng)的分辨率；環(huán)形孔徑相當(dāng)于孔徑濾波器，讓樣品高頻細(xì)節(jié)成分通過光學(xué)系統(tǒng)，而將低頻彌散成分有效地抑制，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率的顯微成像；而且由環(huán)形孔徑產(chǎn)生的斜入射光照明樣品后，又以倒立的空心圓錐光束方式進(jìn)入一遮光圓片，只讓大數(shù)值孔徑那部分光線通過顯微物鏡(如采用 IOOX油浸物鏡，數(shù)值孔徑N. A.約為1.2 參與成像，而將中心部分遮擋，從而包含樣品特征信息的透射和散射光線進(jìn)入物鏡，在暗背景中得到亮的高對(duì)比度樣品像的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高分辨顯微成像。如圖1、2所示，超高分辨率的光學(xué)顯微成像裝置包括環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置1、(XD圖像傳感器12、圖像采集卡13、計(jì)算機(jī)14、電源15、粗調(diào)焦旋鈕16、細(xì)調(diào)焦旋鈕17、 光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕18和支架19 ；支架19上設(shè)有環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置1、粗調(diào)焦旋鈕16、細(xì)調(diào)焦旋鈕17和光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕18 ；環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置1、CXD圖像傳感器12、圖像采集卡13、計(jì)算機(jī)14和電源15順次相連；環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置1 包括LED強(qiáng)光源2、窄帶濾光片3、擋光板4、環(huán)形透光孔5、聚光鏡6、樣品臺(tái)7、遮光圓片8、 顯微物鏡9、目鏡10和轉(zhuǎn)接透鏡11 ；在同一光軸上依次設(shè)有LED強(qiáng)光源2、窄帶濾光片3、擋光板4、環(huán)形透光孔5、聚光鏡6、樣品臺(tái)7、遮光圓片8、顯微物鏡9、目鏡10和轉(zhuǎn)接透鏡11。如圖3所示，實(shí)施案例一設(shè)計(jì)了不同大小的環(huán)形孔徑，在擋光板上制作一系列環(huán)形透光孔，采用環(huán)形孔徑照明可以有效提高顯微系統(tǒng)分辨率。如圖4所示，實(shí)施例二在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，將中央擋光圓設(shè)計(jì)成具有不同的透過率，采用此種環(huán)形孔徑可以克服實(shí)施例一種環(huán)形孔徑帶來的衍射旁瓣的影響。另外也可以不使用窄帶濾光片，而是將中央擋光圓與環(huán)形透光孔設(shè)計(jì)成具有不同的濾色特性，相當(dāng)于對(duì)圖像進(jìn)行彩色編碼，增強(qiáng)圖像對(duì)比度。[0017]超高分辨率的光學(xué)顯微成像方法是在透射式遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)顯微鏡聚光鏡前引入窄帶濾光片和環(huán)形孔徑，LED強(qiáng)光源發(fā)出的平行照明光，通過窄帶濾光片獲得短波長(zhǎng)的準(zhǔn)單色光，然后用擋光板遮擋準(zhǔn)單色光的光束中心部分，僅讓周邊部分透過環(huán)形透光孔，環(huán)形孔徑相當(dāng)于孔徑濾波器，讓高頻細(xì)節(jié)成分通過光學(xué)系統(tǒng)，而將低頻彌散成分有效地抑制，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率的顯微成像；這一環(huán)形光束被聚光鏡聚焦，產(chǎn)生高傾斜的空心圓錐狀光束，照亮并透過樣品后，又以倒立的空心圓錐光束方式進(jìn)入一遮光圓片，只讓大數(shù)值孔徑那部分光線通過顯微物鏡參與成像，而將中心部分遮擋，從而包含樣品特征信息的透射和散射光線進(jìn)入物鏡，在暗背景中得到亮的高對(duì)比度樣品像的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高分辨顯微成像。本實(shí)用新型的工作過程如下接通電源15，通過光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕18調(diào)節(jié)LED強(qiáng)光源2的照明光亮度，照明光線通過窄帶濾光片3獲得短波長(zhǎng)的準(zhǔn)單色光；濾光后的照明光束中心部分被擋光板4遮擋， 僅讓周邊部分透過環(huán)形透光孔5 ；這一環(huán)形光束被聚光鏡6聚焦，產(chǎn)生高傾斜的空心圓錐光束，斜入射光照明樣品臺(tái)7上樣品后，通過一遮光圓片8，只讓大數(shù)值孔徑那部分光線通過顯微物鏡9參與成像，而將中心部分遮擋，從而包含樣品特征信息的透射和散射光線進(jìn)入物鏡，在暗背景中得到亮的高對(duì)比度樣品像的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高分辨顯微成像。在顯微物鏡9后得到的樣品像，通過目鏡10接收放大，再經(jīng)轉(zhuǎn)接透鏡11在CXD圖像傳感器12上成像，視頻信號(hào)在圖像采集卡13中經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、比例縮放等處理后，送往計(jì)算機(jī)14經(jīng)顯示器實(shí)時(shí)顯示。通過粗調(diào)焦旋鈕16和細(xì)調(diào)焦旋鈕17調(diào)節(jié)顯微物鏡相對(duì)于樣品的距離，直至顯示器上的顯微圖像最清晰、最符合要求時(shí)再凍結(jié)圖像?？梢愿鶕?jù)需要采用不同數(shù)值孔徑、 透過率和濾色特性的環(huán)形透光孔徑，來有效提高顯微系統(tǒng)分辨率、減小衍射旁瓣的影響或?qū)D像進(jìn)行彩色編碼，增強(qiáng)圖像對(duì)比度。本實(shí)用新型采用窄帶濾光、環(huán)形孔徑及暗視場(chǎng)照明相結(jié)合的特種照明及顯微成像方法，在聚光鏡前引入窄帶濾光片獲得短波長(zhǎng)的入射光，可以有效提高顯微系統(tǒng)的分辨率； 在照明光路中設(shè)置環(huán)形孔徑，產(chǎn)生高傾斜的空心圓錐狀光束，該光束斜入射照明樣品后照射到一遮光圓片，只讓大數(shù)值孔徑那部分光線通過顯微物鏡參與成像，而將中心部分遮擋， 從而包含樣品特征信息的透射和散射光線進(jìn)入物鏡，在暗背景中得到亮的高對(duì)比度樣品像的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高分辨顯微成像。樣品邊緣及一些細(xì)節(jié)得到增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米尺寸物質(zhì)的超高分辨率和高對(duì)比度的顯微成像。滿足在微納米檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷、 以及材料學(xué)等領(lǐng)域的廣泛需求。
權(quán)利要求1. 一種超高分辨率的光學(xué)顯微成像裝置，其特征在于包括環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置(I)XCD圖像傳感器(12)、圖像采集卡(I3)、計(jì)算機(jī)(14)、電源(15)、粗調(diào)焦旋鈕(16)、 細(xì)調(diào)焦旋鈕(17)、光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕(18)和支架(19)；支架(19)上設(shè)有環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置(1)、粗調(diào)焦旋鈕(16)、細(xì)調(diào)焦旋鈕(17)和光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕(18)；環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置(1)、CXD圖像傳感器(12)、圖像采集卡(13)、計(jì)算機(jī)(14)和電源 (15)順次相連；環(huán)形孔徑照明及顯微成像裝置(1)包括LED強(qiáng)光源( 、窄帶濾光片(3)、擋光板(4)、環(huán)形透光孔(5)、聚光鏡(6)、樣品臺(tái)(7)、遮光圓片(8)、顯微物鏡(9)、目鏡(10) 和轉(zhuǎn)接透鏡(11)；在同一光軸上依次設(shè)有LED強(qiáng)光源O)、窄帶濾光片(3)、擋光板、環(huán)形透光孔(5)、聚光鏡(6)、樣品臺(tái)(7)、遮光圓片(8)、顯微物鏡(9)、目鏡(10)、轉(zhuǎn)接透鏡 (11)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種超高分辨率的光學(xué)顯微成像裝置。采用窄帶濾光、環(huán)形孔徑及暗視場(chǎng)照明相結(jié)合的特種照明及顯微成像方法，同時(shí)設(shè)計(jì)了不同數(shù)值孔徑、透過率和濾色特性的環(huán)形透光孔徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米尺寸物質(zhì)的超高分辨率和高對(duì)比度的顯微成像。它具有LED照明光源、擋光板、環(huán)形透光孔、聚光鏡、樣品臺(tái)、遮光圓片及顯微物鏡組成的高分辨率光學(xué)顯微系統(tǒng)和CCD圖像傳感器、圖像采集卡及計(jì)算機(jī)組成的顯微圖像采集、處理系統(tǒng)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是既保持常規(guī)光學(xué)顯微鏡的實(shí)時(shí)、直接、無掃描的成像觀測(cè)方式，同時(shí)具有出色的分辨率和圖像對(duì)比度。
文檔編號(hào)G01N21/17GK202008549SQ20102057315
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者張冬仙, 支紹韜, 章海軍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)