CN110618131B - 一种大视场超分辨流体显微成像***及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场超分辨流体显微成像***及其实现方法，属于光流体、光聚焦、光成像等领域，主要涉及微纳光学、微纳加工、微流控、显微成像等技术。本专利将超振荡平面柱透镜用于流体显微成像，借助其可在透镜后表面的远场甚至超远场处产生半高宽突破衍射极限光片的优势，将产生的光片作为超分辨片光源，利用样品在微流体中的随动现象，对样品进行面扫描成像，有效突破经典光学领域视场与分辨率之间的固有矛盾，满足未来片上智能流体分析测试***的发展要求，创制一种全新的流体显微成像与检测分析新方法。本发明提出的大视场超分辨流体显微成像方法还可拓展为将超振荡平面柱透镜产生的光片作为动态超分辨片光源，对生物组织进行层析显微成像，对整个显微光学成像领域中存在的视场与超分辨问题具有颠覆性意义。

Description

一种大视场超分辨流体显微成像***及其实现方法
所属领域
本发明属于光流体、光聚焦、光成像等领域，主要涉及微纳光学、微纳加工、微流控、显微成像等技术。
背景技术
流体显微成像是将微流体技术与显微成像技术相融合的一种新兴技术，其中微流体技术在于利用流体中颗粒物的流动来替代成本高昂且结构复杂的机械扫描***实现目标的扫描成像。根据***中是否包含微透镜，将流体显微成像***分成两大类：一种是将目标对象直接用图像传感器芯片进行表征的无透镜流体显微成像技术，这方面以2006年美国加州理工学院Changhuei Yang课题组的研究工作为典型代表[Lab Chip,6,1274,2006]，其成像分辨率受限于图像传感器的像元尺寸，难以获取待测目标的细节信息。
近十年来，美国加州理工学院、加州大学洛杉矶分校联合哈佛医学院等研究组利用微光学成像方法，分别提出了片上刻蚀微纳孔洞来提供照明的近似扫描成像[Lab Chip,6,1274,2008；PNAS,105,10670,2010]及目标对象遮挡入射光实现阴影成像[Biosens.Bioelectron.,24,3208,2009；Lab Chip,8,98,2007]的无透镜片上显微成像***，在环境监测、生化分析、智能感知等领域得到了广泛应用。然而，这类光流体成像方法存在以下三方面缺陷：1)受成像器件像素尺寸的约束，待测目标的成像分辨率难以突破衍射极限；2)无论是通过微纳孔洞近似扫描成像还是利用目标本身进行阴影成像，都无法实现目标的整体切片成像，意味着现有成像方法的视场非常有限；3)现有的流体成像研究主要针对待检测颗粒物进行简单计数或对大尺寸颗粒物的局部形貌进行图像表征，为了更有效地获取待测样品的全貌，需构建其三维立体影像。因此，如何实现高分辨、大视场、三维立体成像的片上光流体成像***，满足未来生命医学、环境监测、智慧生活等领域不断升级的检测需求，已成为一项世界级重大难题，科学意义和实用价值显著。
随着微纳加工技术及微纳光学的迅速发展，基于微纳结构的平面光学透镜受到了国际上多个科研团队的广泛关注[Nano Lett.,18,2018；Adv.Mater.,1704556,2018]，其中，以metalens为代表的平面光学透镜虽在设计自由度上具有一定优势，但其焦点无法突破衍射极限且在大面积、低成本制备等方面仍然存在巨大挑战，难以满足流体显微成像领域的未来发展要求。相比之下，基于超振荡原理的平面透镜凭借利用非亚波长单元结构在远场甚至超远场突破衍射极限及优越的光场定制能力，逐渐在超衍射极限聚焦与成像[Nat.Mater.,11,432,2012]、高密度数据存储[Sci.Adv.,3,e1701398,2017]、粒子操纵[Light:Sci.Appl.,6,e17050,2017]等领域崭露头角。然而，现有的平面超振荡透镜主要以二维同心圆环结构为主，在光轴方向上对透镜后表面光场进行调控。为满足片上流体显微成像***的使用要求，需研制光场可定制的超振荡平面柱透镜，以产生焦深可控且强度均匀的光片光场分布。
此外，与传统透镜的工作原理不同，平面超振荡透镜不能直接用于成像，其工作方式须借助自身产生的超分辨照明光点对目标检测物进行二维扫描，这就意味着需要在成像目标与透镜之间构造相对运动，这种工作原理恰恰为平面超振荡透镜用于流体显微成像提供了灵感。利用平面超振荡透镜提供的超分辨光片作为片光源对流经该光片的样品截面进行逐帧扫描成像，通过三维立体图像重建算法，可获取待测样品的超分辨立体影像。因此，借助平面超振荡透镜特有的成像模式与微流体技术得天独厚的集成化优势，将平面超振荡透镜用于片上流体显微成像，有望同时解决生物医学成像中“看得宽”与“辨得清”等核心难题。
发明内容
发明目的
本发明提出一种大视场超分辨流体显微成像方法，开创性地将超振荡平面柱透镜用于流体显微成像，借助其可在透镜后表面的远场甚至超远场处产生半高宽突破衍射极限光片的优势，将产生的光片作为超分辨片光源，利用样品在微流体中的随动现象，对样品进行面扫描成像，有效突破经典光学领域视场与分辨率之间的固有矛盾，满足未来片上智能流体分析测试***的发展要求，创制一种全新的流体显微成像与检测分析新方法。
基于此方法，本发明提出的大视场超分辨流体显微成像方法还可拓展为将超振荡平面柱透镜产生的光片作为动态超分辨片光源，对生物组织进行层析显微成像，对整个显微光学成像领域中存在的视场与超分辨问题具有颠覆性意义。
技术方案
本发明提出的一种大视场超分辨流体显微成像***的原理图参阅图1，包括：光片调制模块100，用于提供覆盖整个流体沟道的大视场超分辨光片，以提供入射结构光照明待测样品；微流控调制模块200，用于提供运动速度可控的待测目标；采集模块300，用于采集流经超分辨光片处样品截面的序列图像；重构模块400，用于将采集到的多帧图像序列利用图像重构算法进行三维重建。
进一步的，本发明提出的一种大视场超分辨流体显微成像***的结构图参阅图2(a)，所述的光片调制模块100又包括：超振荡平面柱透镜1，激光器或超连续可调光源，激光扩束镜，偏振态调制模块。
进一步的，参阅图2(a)，所述的微流控调制模块200又包括：微流控芯片2及恒压/流注射泵，用于提供速度可控的待测目标。
进一步的，参阅图2(a)，所述的采集模块300又包括：成像透镜3、滤波片、高速相机4、精密压电位移台及图像采集卡，用于对待测目标进行成像并捕获超分辨光片沿颗粒物流动方向扫描而成的图像序列。
进一步的，参阅图2(a)，所述的重构模块400又包括：GPU处理器5和高性能显卡；图像序列预处理模块即对实时采集到的混叠图像进行滤波降噪预处理，及后续超分辨图像序列三维重建模块，其中包括水平配准及深度计算两部分内容。
进一步的，参阅图2(a)，当一束平面波垂直入射到超振荡平面柱透镜1上，透过超振荡平面柱透镜1的光经过调制后在超振荡平面柱透镜的正下方产生超分辨光片，形成的光片照亮微流控芯片2的沟道，光片与沟道截面平行，位置关系参阅图2(b)，成像透镜3及高速相机4置于微流控芯片2的端面，利用GPU处理器5结合图像重构算法对采集到的图像序列进行三维重建。
进一步的，超振荡平面柱透镜是一种利用直槽结构对入射平面波实现精细复杂调控的平面透镜，其聚焦原理图参阅图3，其中，超振荡平面柱透镜产生的光片焦深大小即为光片的长度l2。参阅图2(a)，超振荡平面柱透镜为长度l1、宽度w1、厚度为t的直槽型结构；由超振荡平面柱透镜产生的超分辨光片长度为l2、宽度为w2，其中，超振荡平面柱透镜产生的光片宽度w2略小于透镜宽度w1。参阅图2(b)，所制作的流体沟道的截面宽度w3由超振荡平面柱透镜产生的光片宽度w2决定，流体沟道的截面深度l3由超振荡平面柱透镜产生的光片长度l2决定，***的成像分辨率由超分辨光片的焦平面半高宽决定。
进一步的，参阅图3，所述超振荡平面柱透镜可根据成像的工作波段，面向可见光、近红外、中波红外、长波红外以及太赫兹等电磁谱段，涉及的材料为Si3N4、SiO2、TiO2、Si、Ge、BaF2等材料。
参阅图4，本发明提出的一种基于超振荡平面柱透镜的大视场超分辨流体显微***实现方法，包括以下基本步骤：
步骤S401：根据待测目标尺寸选取超振荡平面柱透镜1，使长度l2为及宽度为w2的超分辨光片能覆盖待测目标的截面，并制作截面宽度w3等于超平面柱振荡透镜光片宽度w2且截面深度l3等于超振荡平面柱透镜光片长度l2的微流控芯片2。
步骤S402：利用3D打印技术制作固定座或金属夹具将超振荡平面柱透镜1与微流控芯片2对准集成，保证超振荡平面柱透镜1产生的光片落入微流控芯片2的重点关注区域，且不破坏两个器件的光学结构面。
步骤S403：将入射平面波照射到超振荡平面柱透镜1上，通过恒压/恒流注射泵精确控制微流控芯片2中的液体流速，利用成像镜头3及高速相机4对超分辨光片沿流体沟道方向进行切片扫描的不同帧频序列图像进行采集。此外，本发明提出的大视场超分辨流体显微成像方法也包括将超振荡平面柱透镜置于精密压电位移台上对静态待测样品实现逐层扫描成像，待测目标的厚度由精密压电位移台的行程决定，具有大景深扩展能力。
步骤S404：利用图像滤波降噪算法对采集到的图像进行预处理，并从水平配准及深度计算两方面对预处理后的图像序列进行立体重构，利用层析图像处理算法重构目标的三维立体影像，进而实现大视场超分辨成像。
有益效果
1.本发明巧妙地将超振荡透镜独特的成像方式与微流体中的随动现象相结合，并利用超振荡平面柱透镜可在远场或超远场产生突破衍射极限的光片这一特点，当微流控沟道中的液体推动待测颗粒物流经超分辨光片时，对样品的截面图像进行实时捕获，并结合图像重建算法构建样品的超分辨立体三维图像，能有效突破经典光学领域视场与分辨率之间的固有矛盾，满足未来片上智能流体分析测试***的发展要求，使片上大视场超分辨流体显微成像成为可能。
2.由于本发明中大视场超分辨流体显微成像***是通过光片对样品的截面图像进行扫描，来完成流体成像，因此，***的成像分辨率由超分辨光片的焦平面半高宽决定。理论上，超振荡透镜产生的超分辨光片的焦平面半高宽可以无限小，因此，可以通过进一步减小超分辨光片的焦平面半高宽尺寸来提高***的成像分辨率。
3.本发明以超振荡平面柱透镜作为光片调制核心元器件，借助其优越的光场定制能力产生满足特定需求的超分辨光片，根据待测样品尺寸对超分辨平面柱透镜所产生的光片进行定制化设计，具有高度灵活性。
4.本发明提出的方法可拓展为将超振荡平面柱透镜产生的超分辨光片置于高精密压电驱动位移台上，待测目标可从生物细胞扩展到生物组织，借鉴计算机图像层析处理技术，构建生物待检测样品的超分辨立体三维图像，为智能医学影像***获取大尺寸目标的超分辨图像提供高效解决方案。
附图说明
图1一种大视场超分辨流体显微成像***的架构示意图；
图2(a)一种大视场超分辨流体显微成像***的结构示意图；
图2(b)超振荡平面柱透镜光片与微流控沟道截面位置关系示意图；
图3超振荡平面柱透镜及其聚焦原理示意图；
图4一种大视场超分辨流体显微成像***实现方法说明图。
其中，100：光片调制模块；200：微流控调制模块；300：采集模块；400：重构模块；1.超振荡平面柱透镜；2.微流控芯片；3.成像镜头；4.高速相机；5.GPU处理器；S401：超振荡平面柱透镜选取；S402：超振荡平面柱透镜与微流控芯片集成；S403：待测目标图像信息采集；S404：图像预处理及三维重建。
图5一种大视场超分辨显微层析成像方法说明图。
其中，S501：超振荡平面柱透镜选型及实验装置搭建；S502：利用光片对成像样品进行切片扫描；S503：待测目标三维立体影像重建。
具体实施方式
实施例1
本发明提出的一种大视场超分辨流体显微成像***的原理图参阅图1，包括：光片调制模块100，用于提供覆盖整个流体沟道的大视场超分辨光片，以提供入射结构光照明待测样品；微流控调制模块200，用于提供运动速度可控的目标；采集模块300，用于采集流经超分辨光片处样品截面的序列图像；重构模块400，用于将采集到的多帧图像序列利用图像重构算法进行三维重建。
进一步的，本发明提出的一种大视场超分辨流体显微成像***的结构图参阅图2(a)，所述的光片调制模块100又包括：超振荡平面柱透镜1，532nm氦氖激光器，5倍激光扩束镜，线偏振态调制模块。
进一步的，参阅图2(a)，所述的微流控调制模块200又包括：通过玻璃与PDMS键合而成的微流控芯片2，其中微流控沟道通过模压成型工艺制备在PDMS侧；双通道恒流注射泵，用于严格控制液体中样品颗粒的流速。
进一步的，参阅图2(a)，所述的采集模块300又包括：成像透镜3、中心波长为570nm带宽为10nm的滤波片、高速相机4、最小步进为10nm的精密压电位移台及图像采集卡，用于对待测目标进行成像并捕获超分辨光片沿颗粒物流动方向扫描而成的图像序列。
进一步的，参阅图2(a)，所述的重构模块400又包括：GPU处理器5和高性能显卡；重构模块包括两个步骤：图像预处理及待测目标图像三维重建。首先需对实时采集到的混叠图像序列进行滤波降噪预处理，之后对超分辨图像序列进行三维重建，其中包括水平配准及深度计算两部分内容。
进一步的，参阅图2(a)，当一束平面波垂直入射到超振荡平面柱透镜1上，透过超振荡平面柱透镜1的光经过调制后在超振荡平面柱透镜的正下方产生超分辨光片，形成的光片照亮微流控芯片2的沟道，光片与沟道截面平行，位置关系参阅图2(b)，成像透镜3及高速相机4置于微流控芯片2的端面，利用GPU处理器5结合图像重构算法对采集到的图像序列进行三维重建。
进一步的，超振荡平面柱透镜是一种利用直槽结构对入射平面波实现精细复杂调控的平面透镜，其聚焦原理图参阅图3。其中，超振荡平面柱透镜产生的光片焦深即为光片的长度。参阅图2(a)，超振荡平面柱透镜为长度l1＝100μm、宽度w1＝50μm、最小线宽为2μm、厚度为215nm的直槽型结构，由超振荡平面柱透镜产生的超分辨光片长度l2＝20μm、宽度w2＝40μm、半高宽为280nm。参阅图2(b)，所制作的流体沟道的截面宽度w3＝w2＝40μm，流体沟道的截面深度l3＝l2＝20μm，***的成像分辨率由超分辨光片的焦平面半高宽决定。
进一步的，参阅图3，所述超振荡平面柱透镜工作波长为532nm，制作于500μm厚的玻璃基底上，结构层为折射率为2.25、厚度为215nm的Si3N4材料。
参阅图4，本发明提出的一种基于超振荡平面柱透镜的大视场超分辨流体显微***实现方法，包括以下基本步骤：
步骤S401：参阅图4，选取工作波长为λ＝532nm、焦距f＝100μm且超分辨光片长度l2＝20μm、宽度w2＝40μm、半高宽为280nm的超振荡平面柱透镜1与流体沟道截面宽度w3＝40μm，流体沟道的截面深度l3＝20μm的微流控芯片2匹配。
步骤S402：参阅图4，利用3D打印技术制作固定座或金属夹具将超振荡平面柱透镜1与微流控芯片2对准集成，保证超振荡平面柱透镜1产生的光片落入微流控芯片2的重点关注区域，且不破坏两个器件的光学结构面。
进一步的，所述微流控芯片2是通过玻璃基底与PDMS键合而成，通过制作模具并利用模压成型工艺在PDMS侧制作出流体沟道。
进一步的，所述微流控芯片2中的流体流速通过双通道恒流注射泵精确控制为10μL/min；
进一步的，所述微流控芯片2中的待测目标选取直径为3μm、激发波长532nm、出射波长570nm的荧光微球，浓度为0.25wt％；
步骤S403：参阅图4，将入射平面波垂直照射到超振荡平面柱透镜1上，通过双通道恒流注射泵精确控制微流控芯片2中的液体速度，利用成像镜头3及高速相机4对流经超分辨光片的样品截面帧频序列图像进行采集。
步骤S404：参阅图4，利用GPU处理器5，结合图像滤波降噪算法对采集到的图像进行预处理，并从水平配准及深度计算两方面对预处理后的图像序列进行三维立体重构，进而实现大视场超分辨成像。
实施例2
本发明提出的大视场超分辨流体显微成像方法也可拓展为大视场超分辨显微层析成像方法，原理图参阅图5，包括以下基本步骤：
步骤S501：参阅图5，针对待测目标尺寸对超振荡平面柱透镜进行选型，超振荡平面柱透镜产生的光片尺寸由待测目标尺寸决定。将超振荡平面柱透镜固定于精密压电位移台上，压电位移台的最小步进为10nm，将超振荡平面柱透镜产生的超分辨光片照射到待测目标上，待测目标的厚度由压电位移台的最大行程决定，具有大景深扩展能力。
步骤S502：参阅图5，利用Labview控制压电位移台与高质量相机同步驱动，超分辨光片对待测目标进行切片式扫描，利用高速图像采集卡对采集到的图像序列进行实时输出。
步骤S503：参阅图5，利用计算机层析重构算法对采集到的目标图像序列进行三维重建，获得样品的超分辨三维立体影像。

Claims (6)

1.一种大视场超分辨流体显微成像***，包括光片调制模块(100)，用于提供覆盖整个流体沟道的大视场超分辨光片，以提供入射结构光照明待测样品；微流控调制模块(200)，用于提供运动速度可控的待测目标；采集模块(300)，用于采集流经超分辨光片处样品截面的序列图像；重构模块(400)，用于将采集到的多帧图像序列利用图像重构算法进行三维重建；其特征在于，所述的光片调制模块(100)具体包括：超振荡平面柱透镜(1)，激光器或超连续可调光源，激光扩束镜，偏振态调制模块；所述的微流控调制模块(200)主要包括微流控芯片(2)；所述的采集模块(300)主要包括：成像透镜(3)和高速相机(4)；所述的重构模块(400)主要包括GPU处理器(5)；GPU处理器(5)中的图像序列预处理模块对实时采集到的混叠图像进行滤波降噪预处理，后续超分辨图像序列三维重建模块包括水平配准及深度计算两部分内容；
所述激光器或超连续可调光源发射的一束平面波垂直入射到超振荡平面柱透镜(1)上后，依次通过所述激光扩束镜和偏振态调制模块后，在超振荡平面柱透镜(1)的正下方产生超分辨光片，形成的光片照亮微流控芯片(2)沟道的待成像区域，光片与沟道截面平行，成像透镜(3)及高速相机(4)依次置于微流控芯片(2)的端面，且所述微流控芯片(2)的沟道、成像透镜(3)与高速相机(4)的感光面同轴，利用GPU处理器(5)结合图像重构算法对采集到的图像序列进行三维重建。
2.一种如权利要求1 所述的大视场超分辨流体显微成像***，其特征在于，所述的超振荡平面柱透镜(1)为长度l1、宽度w1、厚度为t的直槽型结构；由超振荡平面柱透镜(1)产生的超分辨光片长度为l2、宽度为w2，流体沟道的截面宽度w3满足：w3≤w2，流体沟道的截面深度l3满足：l3≤l2。
3.一种如权利要求2所述的大视场超分辨流体显微成像***，其特征在于，所述超振荡平面柱透镜( 1)面向可见光、近红外、中波红外、长波红外或太赫兹的电磁谱段，材料为Si3N4、SiO2、TiO2、Si、Ge或BaF2。
4.一种基于如权利要求1-3之一所述***进行大视场超分辨流体显微成像的方法，包括以下基本步骤：
步骤S401：将入射平面波照射到超振荡平面柱透镜(1)上，精确控制微流控芯片(2)中的液体流速，利用成像镜头(3)及高速相机(4)对超分辨光片沿流体沟道方向进行切片扫描的不同帧频序列图像进行采集；
步骤S402：利用图像滤波降噪算法对采集到的图像进行预处理，并从水平配准及深度计算两方面对预处理后的图像序列进行立体重构，利用层析图像处理算法重构目标的三维立体影像，进而实现大视场超分辨成像。
5.一种大视场超分辨显微层析成像***，其特征在于，包括光片调制模块(100)、待测样品、采集模块(300)、重构模块(400)；
所述的光片调制模块(100)具体包括：超振荡平面柱透镜(1)，激光器或超连续可调光源，激光扩束镜，偏振态调制模块；所述的采集模块(300)主要包括：置于精密压电位移台上的成像透镜(3)和高速相机(4)；所述的重构模块(400)主要包括GPU处理器(5)；GPU处理器(5)中的图像序列预处理模块对实时采集到的混叠图像进行滤波降噪预处理，后续超分辨图像序列三维重建模块包括水平配准及深度计算两部分内容；
所述激光器或超连续可调光源发射的一束平面波垂直入射到超振荡平面柱透镜(1)上后，依次通过所述激光扩束镜和偏振态调制模块后，在超振荡平面柱透镜(1)的正下方产生超分辨光片，形成的光片照亮待测样品的待成像区域，成像透镜(3)及高速相机(4)依次置于微流控芯片(2)的端面，利用GPU处理器(5)结合图像重构算法对采集到的图像序列进行三维重建。
6.一种基于如权利要求5所述***进行大视场超分辨显微层析成像的方法，其特征在于，
包括如下步骤：
步骤S401：将入射平面波照射到超振荡平面柱透镜(1)上，通过精密压电位移台控制成像透镜(3)沿与光片垂直的方向移动，利用成像透镜(3)及高速相机(4)对超分辨光片对样品进行切片扫描的不同帧频序列图像进行采集；
步骤S402：利用图像滤波降噪算法对采集到的图像进行预处理，并从水平配准及深度计算两方面对预处理后的图像序列进行立体重构，利用层析图像处理算法重构目标的三维立体影像，进而实现大视场超分辨成像。
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