[发明专利]一种结构光照明超分辨显微芯片的成像方法

权利要求书

1.一种结构光照明超分辨显微芯片的成像方法，其特征在于，该方法基于结构光照明超分辨显微芯片实现，所述超分辨显微芯片包括：两面平行的衬底材料，衬底材料在所选照明波段是透明的，其中一个表面是功能表面，上面刻有m圈成对分布的光栅结构，另一个表面是成像平面，用来放置样品，对芯片的成像平面进行抛光处理，提高全反射的效率和倏逝场的均匀度；成像平面的成像区域正对于功能表面的光栅圈的中心；第m圈光栅圈的直径为：

其中T是衬底材料的厚度，λ是使用的照明光波长，n是衬底材料的折射率，P_m是第m圈光栅的周期,是入射光与波导法线的夹角；

该方法的具体步骤如下：

步骤一：将两束相干光束分别打到成对的光栅上；光场经过成对的光栅发生一级衍射，以一定的角度θ_m耦合到衬底光波导中；

其中λ是使用的光波长，n是材料的折射率，P_m是光栅的周期,是入射光与波导法线的夹角；最内一圈的光栅周期最大，由内而外，光栅周期逐渐变小；

两束耦合进光波导的光场在成像平面发生全反射，产生的倏逝场在成像区域的中心相遇并发生干涉，干涉之后产生的结构光照明样品产生调制的荧光分布图并采集其照片；结构光的周期与光栅的周期有关；

步骤二：调整两束相干光的光程差，使干涉之后产生的结构光发生两次平移并分别采集调制的荧光分布图照片；

步骤三：两束相干光束切换到不同方向不同周期的成对光栅，重复步骤一和二，得到样品在不同方向以及不同周期结构光照明下的调制的荧光分布图的照片；

步骤四：对步骤三中得到的所有调制的荧光分布图照片，进行傅里叶变换，得到每张照片对应的空间频谱信息，然后将这些空间频谱信息在频域空间进行迭代拼接，得到扩大后的频谱，最后进行反傅里叶变换重构出超分辨的样品图像。

2.根据权利要求1所述的一种结构光照明超分辨显微芯片的成像方法，其特征在于，如果超分辨显微芯片的照明光是可见光，可选衬底材料包括Si₃N₄、SiO₂、Al₂O₃、TiO₂或者Polymer；成像分辨率取决于材料折射率以及照明波长，衬底材料和照明波长具体根据对成像分辨率的需求、成本、加工条件选用。

3.根据权利要求1所述的一种结构光照明超分辨显微芯片的成像方法，其特征在于，所述超分辨显微芯片的光栅采用微纳加工方法制备，包括EBL、FIB、光刻或纳米压印。

4.一种利用超分辨显微芯片进行成像的光学系统结构，其特征在于，所述超分辨显微芯片包括：两面平行的衬底材料，衬底材料在所选照明波段是透明的，其中一个表面是功能表面，上面刻有m圈成对分布的光栅结构，另一个表面是成像平面，用来放置样品，对芯片的成像平面进行抛光处理，提高全反射的效率和倏逝场的均匀度；成像平面的成像区域正对于功能表面的光栅圈的中心；第m圈光栅圈的直径为：

其中T是衬底材料的厚度，λ是使用的照明光波长，n是衬底材料的折射率，P_m是第m圈光栅的周期,是入射光与波导法线的夹角；

所述光学系统结构包括：耦合到芯片中产生倏逝场的平行光光源、两束平行光的光程差调节装置、支撑芯片的样品台、收集样品发射荧光的显微物镜、光学接收系统和镜架机械固定装置；其中平行光光源位于芯片的功能表面的外侧，照射到光栅表面，用于在衬底光波导中激发所需的倏逝场，平行光光源为相干光；显微物镜位于芯片的成像平面的外侧，用于收集成像信号；光学接收系统包括了透镜、光学相机和计算机，用于记录成像信号。

5.根据权利要求4所述的利用超分辨显微芯片进行成像的光学系统结构，其特征在于，光源后增加光束扫描装置，将光斑准确反射到光栅上，提高成像速度；光束扫描装置是振镜或者空间光调制器。

6.根据权利要求4所述的利用超分辨显微芯片进行成像的光学系统结构，其特征在于，在平行光光源后加缩束扩束装置，产生适合光栅大小的入射光斑。