[发明专利]一种利用超衍射离轴照明技术的纳米表层光学显微成像器件及成像方法

说明书

技术领域

本发明属于显微成像领域，涉及一种利用超衍射离轴照明技术的纳米表层光学显微成像方法。

背景技术

光学显微成像技术是观测微观世界的一种有效手段，其高效、无损的优点使其在各领域，尤其是在生物、医学、材料研究领域有着广泛的应用。然而，普通光学显微镜使用的是场光源，在观察样品表面形貌时，样品内部结构也会被照明并产生衍射或散射，这将严重影响显微镜对样品表层结构(如细胞壁、蛋白质分子壁等)的成像质量。

为了克服普通光学显微镜对样品表层成像模糊的缺点，共聚焦显微镜利用点光源照明，点探测器收集的方法，成功消除了在探测样品时产生的多种散射光，实现了样品光学横断面的清晰成像。然而，这种成像质量的改进是利用减小显微镜视场来获得的，虽然可通过扫描机制来进行补偿，但这将导致其结构复杂，工作效率低等缺点。

如果光源仅对样品的表层进行照明，而不进入样品内部，则可避免样品内部散射光对表层结构成像的影响，提高表层成像质量。根据这一思想，研究人员提出将传统的载玻片替换为一个棱镜，并使照明光在棱镜底面发生全反射，利用产生的消逝波对样品表层进行照明，即可通过普通光学显微镜观测到较清晰的表层成像。然而，该方法中的消逝波在样品表层的穿透深度由棱镜的折射率和照明光入射角共同决定。由于棱镜材料的限制，消逝波穿透深度最小可达到200nm左右，这对于观测深度200nm以内的表层结构仍然会存在一定程度的散射干扰。因此，为了清晰的观察到深度200nm甚至更薄的表层结构信息，需要构建一种表层穿透深度更小的照明光源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对普通光学显微镜对样品表层成像模糊的问题，提出一种利用超衍射离轴照明技术的纳米表层光学显微成像方法，利用该方法可提供200nm及以下深度的表层照明，用于提高这一尺度的表层光学显微成像的质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用超衍射离轴照明技术的纳米表层光学显微成像器件，该器件从下到上依次包括：

一透明基底层；

一纳米结构层，用于对照明光进行空间频率和偏振方向调制的纳米结构；

一PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，Polymethylmethacrylate简称PMMA)填充层，用于平整化纳米结构表面的PMMA填充层；

一金属/介质多层膜层，用于对不同空间频率谐波进行高通滤波的金属/介质多层膜。

优选的，所述纳米结构层的尺寸和间距不大于照明光波长；所述纳米结构层的材料为不透光材料，可以为金属，也可以为介质；所述纳米结构层的形状可以为规则的几何体、或不规则的任意面型；所述纳米结构层的分布可以是均匀的、或非均匀的，可以是一维的、或二维的。

优选的，所述PMMA填充层的上表面相对纳米结构层上表面的厚度为10～30nm。

优选的，金属/介质多层膜层中的金属可以为金、银、铝等良导体材料，介质可以为SiO₂、Al₂O₃等低损耗光学膜层材料；所述金属/介质多层膜层为金属/介质交替膜层，各膜层厚度范围为10nm～30nm，各层膜厚可以相等，也可以不相等。根据照明光强需要，金属/介质多层膜的总层数2层或更多层。

另外，本发明提供一种利用超衍射离轴照明技术的纳米表层光学显微成像方法，照明光从上述器件的透明基底层背面入射，经过纳米结构层对其空间频率和偏振方向的调制后进入金属/介质多层膜层进行高频滤波，最终在金属/介质多层膜层的上表面形成局域在5～200nm深度范围内的消逝光场，被消逝光场照明的待测样品表层区域可以被光学显微镜或光谱仪进行分析检测。

优选的，所述照明光可以为紫外到可见光范围的宽光谱光源或者激光光源。

优选的，改变所述纳米结构层的尺寸和间距，可以调节多层膜表面消逝光场的空间频率和强度分布。

优选的，当所述纳米结构层的材料为金属时，改变纳米结构层的分布可以调节多层膜表面消逝光场的偏振方向和空间分布。

优选的，改变所述金属/介质多层膜层中的金属材料和介质材料或者改变金属膜层与介质膜层的厚度之比，可以调整高通滤波时的截止频率。

优选的，改变所述金属/介质多层膜层中的金属材料和介质材料，或者改变金属膜层与介质膜层的厚度之比、层数，可以调整高通滤波时的截止频率，从而调节多层膜表面消逝光场在样品表层的作用深度，调节范围5nm～200nm。