CN115166958B - 小型化层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种小型化层析成像系统。包括照明臂和观察臂；照明臂包括至少一个超透镜和相干光源；观察臂包括观察物镜和探测器；超透镜包括基底和基底表面的结构单元及纳米结构；至少一个超透镜用于使来自相干光源的照明光形成沿超透镜的光轴的多个焦点；观察物镜用于接收多个焦点于待测样品反射的光线，并成像于探测器，照明臂的照明光路与观察臂的观察光路分离，并且观察物镜垂直于超透镜光轴设置。上述系统，通过超透镜使两束相干光干涉或者通过多焦点超透镜，形成多个焦点，并通过多个焦点，实现分层照明待测样品；同时，在垂直于超透镜光轴的方向布置接收观察物镜，从而实现单次多层的层析成像，解决了层析成像中的z方向的扫描问题。

Description

小型化层析成像系统

技术领域

本申请涉及显微设备领域，具体涉及一种小型化层析成像系统。

背景技术

光学层析显微技术(optical sectioning microscopy)相较其它类型的层析成像而言，具有对组织的干扰度小，分辨水平高、可离体或活体实时成像等优点。光学投影层析成像是根据某一断层在不同角度下投影的数据通过算法重建出此断层的二维图像，再将所有断层汇总叠加得到整体的三维结构。分辨率达微米量级，成像深度达到毫米量级。

现有技术中的光学层析显微方案，多采用共聚焦显微镜的形式实现光学分层，从而根据分层图像实现三维图像重建，但此种方案的轴向分辨率有限，不能实现z轴方向的亚波长分辨率的成像。

现有技术中还有采用两个显微物镜组成的4pi显微镜利用相干光在光轴方向上的干涉，在光轴方向上形成超分辨的焦点，从而可实现z轴方向的高分辨率成像。但是，传统的4pi显微镜的焦点为单个，仍然需要x-y-z三个方向上的移动扫描来实现三维成像，成像时间较长。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请第一方面提供一种小型化层析成像系统，这种系统包括照明臂和观察臂；

其中，所述照明臂包括至少一个超透镜和相干光源；所述观察臂包括观察物镜和探测器；

所述至少一个超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

其中，所述至少一个超透镜用于使来自所述相干光源的照明光形成沿所述超透镜的光轴的多个焦点；

所述观察物镜用于接收所述多个焦点于待测样品反射的光线，并成像于所述探测器，以同时获取待测样品的多层图像信息，

其中所述照明臂的光路与所述观察臂的光路不同。

可选地，还包括分束器，用于将来自所述相干光源的照明光按比例分成第一光线和第二光线；并且所述至少一个超透镜包括第一超透镜和第二超透镜，所述第一超透镜和所述第二超透镜相对设置，并且所述第一超透镜和所述第二超透镜共焦点且共光轴设置；

其中，所述第一超透镜配置对第一光线进行调制，所述第二超透镜配置为对第二光线进行调制，以使调制过的第一光线和第二光线干涉，从而沿光轴形成多个焦点。

可选地，所述分束器为半反半透镜或立方棱镜。

可选地，所述分束器的分光比例为50:50。

可选地，所述照明臂还包括空间滤波器，设置于所述至少一个超透镜的光路上游，所述空间滤波器构成用于，将来自相干光源的相干光调制为环形光束。

可选地，在所述照明臂内，将如下光束入射至所述至少一个超透镜：所述光束经所述至少一个超透镜调制后具有小于等于10°的会聚角。

可选地，所述至少一个超透镜能够使所述多个焦点处的光场强度分布满足：

其中，h(z)为沿z轴的光强，Q由sinc函数近似，λ为照明光波长，α为会聚角，n为所述多个焦点周围的折射率。

可选地，所述至少一个超透镜能够使所述多个焦点处的光场强度分布满足：

其中，h(z)为沿z轴的光强，λ为照明光波长，α为会聚角，n为所述多个焦点周围的折射率。

可选地，所述至少一个超透镜能够使所述多个焦点处的光场强度分布满足：

其中，h(z)为沿z轴的光强，λ为照明光波长，α为会聚角，n为所述多个焦点周围的折射率。

可选地，所述相干光源提供的照明光，其相干长度大于10倍所述多个焦点的焦点深度。

可选地，所述超透镜为多焦点超透镜，所述多焦点超透镜的结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布配置为：接收并会聚来自相干光源的相干光，并且使会聚后的相干光沿直线形成多个焦点。

可选地，所述多焦点超透镜的纳米结构环形排布，其中不同环面的所述纳米结构的排布结构不同，以及不同环面的焦距不同，能够使会聚后的相干光沿光轴形成多个焦点，其中每个环面的半径满足：

其中，k为从内往外的圆环序数，n为超透镜不同区域总数及焦点个数，R为超透镜半径。

可选地，所述观察物镜包括采集超透镜，所述采集超透镜与所述多焦点超透镜光轴平行地设置。

可选地，基于结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，所述采集超透镜与所述多焦点超透镜相同地构成，并且所述采集超透镜与所述多焦点超透镜对称设置，所述多个焦点所在的直线位于所述对称中轴线。

可选地，所述采集超透镜与所述多焦点超透镜构成于同一基底的不同区域。

可选地，所述观察物镜垂直于所述超透镜光轴设置。

可选地，包括样品台，设置于所述多个焦点处，用于放置待测样品，并且至少能够在垂直于光轴的平面移动。

可选地，还包括扩束器，设置于所述相干光源的光路下游。

可选地，所述相干光源能够提供可见光或近红外波段的相干光。

可选地，所述观察物镜的成像视场大于所述多个焦点的深度。

可选地，所述观察物镜为单色像差校正超透镜；所述观察物镜的共轭距无限远。

上述技术方案具备的优点和效果至少有：

能够形成多个沿光轴方向的焦点来实现分层照明待测样品；同时，在垂直于超透镜光轴的方向布置观察物镜，即采用Theta结构，从而实现单次多层的层析成像，显著地提高了扫描速度。

进一步地，利用的环状光束形成沿光轴方向多个焦点的分层照明光，解决了层析成像中的z方向的扫描问题；

并且由于使用的超透镜而具备体积小、重量轻、结构简、易量产的优势，可形成小型化层析成像系统。

附图说明

图1为本申请一种实施例结构示意图；

图2为本申请另一种实施例结构示意图；

图3为物镜成像视场与超透镜焦点深度关系示意图；

图4为实施例中环形光束光路示意图；

图5为实施例中极细光束光路示意图；

图6为超透镜结构单元示意图；

图7为超透镜纳米结构示意图；

图8为本申请另一种实施例结构示意图。

附图标记：

1超透镜 11第一超透镜

12第二超透镜 13多焦点超透镜

14采集超透镜 2观察物镜

3探测器 4相干光源

5分束器 6扩束器

7空间滤波器 8管透镜

9平面镜 10样品台

具体实施方式

将在下文中参照附图更全面地描述本公开，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

对于实施例中所描述的如“z轴”等参考方向，以图1和图2中示出的参考坐标系作为基准。

针对现有技术中存在的缺陷，本申请实施例旨在通过使照明光沿光轴形成多个焦点，并配合基于Theta型结构垂直于光轴的方向布置的观察物镜，实现单次多层的层析成像，解决层析成像中的z轴方向的扫描问题。

有鉴于此，本申请实施例首先提供一种小型化层析成像系统，这种系统可以包括至少一个超透镜，以及样品台、光源、观察物镜和探测器。

上述的超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；所述至少一个超透镜用于使来自所述光源的照明光形成沿光轴的多个焦点；

样品台设置于所述多个焦点中的一个焦点处，用于放置待测样品，至少能够在垂直于光轴的平面移动，优选地，样品台也可以沿着光轴的方向移动，从而实现对厚度非常大的对象进行扫描；

观察物镜用于接收所述多个焦点与待测样品反射的光线，并于所述探测器成像，以获取待测样品的分层图像信息。

上述实施例形成沿光轴方向多个焦点的分层照明光，解决了层析成像中的z方向的扫描问题；同时，此方案继承了超透镜体积小、重量轻、结构简、易量产的优势，可形成小型化层析成像系统。

本申请实施例及各可选实施例中，所描述的超透镜包括如下特征：

超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

结构单元为可密堆积图形，结构单元可以是为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图6所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图6左部分示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图6中间部分示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。

结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图6右部分示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图6右中的左下角区域。在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构。

纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。纳米结构的形式如图7所示。

各纳米结构之间可以填充空气或者在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本公开的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于等于0.5。

示例性的，实施例中的超透镜相位可以满足如下公式之一：

其中，r为所述超透镜中心到任一所述纳米结构中心的距离；λ为工作波长，为任意与所述工作波长相关的相位，x,y为超透镜镜面坐标，f为所述超透镜的焦距。

根据本申请的实施方式，如下提供一种通过两个超透镜使两束相干光干涉形成多个焦点的实施例。

如图1所示，其包括相干光源4(相干波长为λ)、超透镜(本实施例中11和12分别表示一个超透镜)、分束器5、样品台10、观察物镜2和探测器3。

在本实施例中，通过分束器5，将相干光源4提供的相干光分成沿两个不同方向传播的两束光，分别传送至两个超透镜。

具体如图1所示出，分束器5在照明臂的传播光路中设置于相干光源4的下游和两个超透镜的上游，并且可以结合平面反射镜9等装置，将分束后的第一光线和第二光线分别输送至相应的超透镜。

示例性地，分束器可以选用半反半透镜或立方棱镜等类似光学元器件。

应理解，分束器5可以将相干光按照一定比例地分成两束，在一个优选的实施例中，为50:50等比例分配。

在该实施例中，超透镜为工作在相干波长的两个超透镜。具体包括相对设置并且共焦点共光轴设置的第一超透镜11和第二超透镜12；所述第一超透镜11配置为接收并会聚第一光线，所述第二超透镜12配置为接收并会聚第二光线，所述第一光线和所述第二光线为相干光源提供的相干光。

所述第一光线和所述第二光线经过超透镜，分别在两个超透镜的公共焦点聚焦，从而产生干涉，形成沿光轴的多个焦点。

其焦点周围的光强场分布满足公式1：

式中，h(z)为沿z轴上的光强，其中Q可以由sinc函数近似，λ为照明光波长，α可由图4给出，n为焦点周围的折射率。当α趋近于0时，公式1近似于公式2：

公式2给出了一个周期为λ/n的沿z轴的阵列点。

在本实施例中，样品台10设置在第一超透镜11和第二超透镜12的公共焦点处，基于图1中的参考方向，此样品台至少可以在x-y平面内移动，从而实现扫描。但本申请不限于此，当待测样品z轴方向尺寸过大时，以至于超过所述多个焦点深度时，也可以使样品台10沿z轴方向运动。

观察物镜2观察被多个焦点照亮的样品，通过管透镜8成像到探测器3上，一次可成像多个沿z方向的层。在此，观察物镜2垂直于超透镜的光轴设置。

在优选实施例中，如图3所示出的那样，观察物镜2的成像视场具有大于4pi焦点的焦点深度。借此所能够实现的有益效果是：探测器能够同时对各焦平面成像，一次可成像多个沿z方向的层。基于此，探测器3可对多个焦点分立成像到不同的位置。

在优选实施例中，在观察臂中，还可以设置管透镜8、滤光片(图中未示出)等光学器件与观察物镜和探测器配合使用。

在优选实施例中，相关光源可以发射可见光与近红外波段的相干光，其中第一光线和第二光线的相干长度大于10倍焦点的焦点深度。其作用在于使第一光线和第二光线在预定位置能够正确地发生干涉。如果超出上述相干长度，则无法发生干涉，就没有本申请所需的z轴多焦点、超分辨的作用了。

根据本申请的实施方式，如下提供一种利用环状光束形成沿光轴方向多个焦点的分层照明光，以解决层析成像中的z方向的扫描问题的实施例。

其中，输入超透镜的相干光在垂直于光轴的剖面中形成环形，即输入超透镜的相干光为中空的环形光束。如图5所示，两束相干的环形光束会聚至光轴的共焦点处时，能够在光轴方向上形成多个相同的强度、等间距、等分辨率的光焦点，各焦点的反射光被探测器接收并成像，从而实现沿光轴多个层面的层析成像。

为了形成环形光束，如图1所示，上述系统可以包括空间滤波器7，在照明臂的光路中设置于所述超透镜的上游。

实施例中，各超透镜能够使所述多个焦点处的光场强度分布满足：

其中，h(z)为沿z轴的光强，λ为照明光波长，α为会聚角，n为所述多个焦点周围的折射率。同时如图5中所标注的，上式中的θ值为环形光束整体的会聚角。根据本申请的实施方式，如下提供一种利用的极细光束形成沿光轴方向多个焦点的分层照明光，以解决层析成像中的z方向的扫描问题的实施例。

在本申请实施例中，如图4所示，极细光束指的是会聚角2α小于等于10°的光束。

第一超透镜和第二超透镜能够将所述极细光束会聚于沿光轴的共焦点处。并通过各极细光束之间的干涉形成多个焦点。

在上述实施例中，第一超透镜11和第二超透镜12优选为口径、数值孔径、焦距相同的球差矫正超透镜。

在优选实施例中，观察物镜2可以包括超透镜，用于替代传统光学器件实现采集样品光学信息的作用。该超透镜配置为单色像差校正的超透镜，并且配置为无穷远共轭透镜。

应理解，所述无穷远共轭透镜(观察物镜)，以及上述实施例描述的管透镜，能够形成：从样品散射出的光经过观察物镜后呈平行光束，通过在观察物镜与目镜之间设置管透镜来成中间像，使得光学系统的配置更加灵活，即使观察物镜与管透镜之间的距离变化，也不改变放大倍率，不受距离限制，方便在光学系统中扩展荧光等成像模块以及滤光片等。

根据本申请的实施方式，样品台10可在垂直于光轴的两个方向上运动，从而实现扫描。示例性的，样品台10可以通过高精度平移台进行步进驱动。但本申请不限于此，为了适应较大尺寸的待测样品，样品台10可以设置为能够沿着光轴方向移动。

根据本申请的实施方式，如图1所示，系统中还可以包括扩束器6，用于将相干光源(例如激光)发出的光扩散到需要的口径Di，示例性地，其中扩束器6可以选用倒置望远镜。

根据本申请的实施方式，整体系统的布置如图1所示，以两个超透镜的共有光轴为z轴，在与z轴垂直的x轴方向依次设置观察物镜2，管透镜8以及探测器3。样品台设置于z轴与x轴焦点处。以及，所示观察物镜2，管透镜8以及探测器3的光轴均与x轴重合或平行。第一超透镜11和第二超透镜12以x轴为中心对称设置，以及各自位于第一超透镜11和第二超透镜12上游的空间滤波器7和平面镜9均以x轴为中心对称设置。

根据本申请的实施方式，系统设置有照明臂和观察臂。所述照明臂用于形成多个照亮样品的焦点，观察臂用于采集所述多个焦点反射的，带有样品分层信息的光信号。其中，照明臂中设置有如上文实施例中所述的超透镜、空间滤波器7、平面镜9、分束器5、扩束器6以及相干光源4，照明臂中还可能包括用于形成光路的其他光学器件。在照明臂中设置有上述第一超透镜11和第二超透镜12。观察臂中设置有如上文实施例中所述的观察物镜2、管透镜8以及探测器3。

可选地，当此系统存在非线性成像光波长λ₁时(例如，双光子激发成像、二次谐波成像、单光子激发成像等)，观察臂光学系统需在非线性光波长λ₁的透射率大于90％，且其中的滤光片需能够过滤照明光的波长λ。

上述实施例中，相干光源提供可见光或近红外波段的相干光，其相干长度需大于10倍的4pi焦点的焦点深度。相干光源可以为激光源。

根据本申请的实施方式，如下提供一种以theta结构布置照明光路与观察光路的实施例。

应理解，现有技术观察光和照明光采用同一光路，进而由于旁瓣效应会产生伪影，因此，现有技术旨在抑制旁瓣来减小伪影。本实施例克服了现有技术中的惯性思维，在本发明中，通过Theta结构的显微层析成像系统，将观察光路和照明光路分离，并且通过同时产生多焦点，可以直接利用旁瓣，优选地，在使用环形光束入射到超透镜中的情况下旁瓣的能量分布能够与主瓣相同，从而产生均匀分布的层析。优选的使调制出来的光波具有相同的幅度，即旁瓣和主瓣接近，更有利于观察。

本实施例中，如图1所示，使照明臂的照明光路与所述观察臂的观察光路分离，并且所述观察物镜2垂直于所述超透镜光轴设置。

应理解，为了描述清晰，图1中观察臂光轴与x轴平行，但本申请不限于此，示例性地，观察臂光轴也可以与y轴平行等等。

根据本申请的实施方式，如下提供另一种以theta结构布置照明光路与观察光路的实施例。

如图2所示，使照明臂的照明光路与所述观察臂的观察光路分离，并且所述观察物镜2垂直于所述超透镜光轴设置。

应理解，为了描述清晰，图2中观察臂光轴与x轴平行，但本申请不限于此，示例性地，观察臂光轴也可以与y轴平行。

根据本申请的实施方式，如下提供一种通过单个超透镜直接形成多个焦点的实施例。

如图2所示，这种系统包括相干光源4、超透镜1、可选的样品台(位于超透镜光轴和观察物镜光轴交点处，未示出)、观察物镜2和探测器3；

超透镜1为多焦点超透镜13，包括基底和基底表面设置的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；所述多轴向焦点超透镜用于接收并会聚照明光，所述多焦点超透镜配置为：使会聚后的所述照明光沿光轴形成多个等大的焦点；

所述样品台垂直于光轴设置，能够使至少一个焦点形成于样品，并且至少能够在垂直于光轴的平面移动；

所述观察物镜2用于接收所述多个焦点在待测样品反射的光线，并于所述探测器3成像，以获取待测样品的分层图像信息。

在优选实施例中，如图2所示，还包括：相干光源4，能够提供可见光或近红外波段的相干光。

在优选实施例中，如图2所示，还包括：扩束器6，设置于所述相干光源4的光路下游，用以将由相干光源发射的光扩散到所需要的口径。

在优选实施例中，多焦点超透镜形成的总焦点深度为DOF，观察物镜2的成像视场需大于DOF。

为了实现上述的多焦点超透镜，示例性地，其表面的结构单元、纳米结构被划分为多个环面，不同环面纳米结构排布结构不同，存在不同的焦点。优选地，各个环面具有相同的面积，这样能提供相近的光通量，各焦点亮度尽可能一致。

其中每个环面的半径满足：

其中，k为从内往外的圆环序数，n为超透镜不同区域总数及焦点个数，R为超透镜半径。

根据本申请的实施方式，优选实施例中，多焦点超透镜还可以通过可调超透镜来实现。

本实施例旨在通过对超透镜相位的不断调节，在不同的时间节点形成不同位置的焦点，得以实现多个焦点的层析成像。

应理解的是，超透镜的光学性能主要由两个因素决定：1结构单元的几何形状与尺寸；2材料的介电常数。可见，如果能改变上述两个因素，即可实现超透镜的可调节。由此可以通过改变材料的介电常数以实现器件光学性能的调控或重构。示例性的，可以将相变材料应用到超透镜中，相变材料在外加激励(如热、激光、外加电压等)下能够改变物质内部的晶格，可以大幅度地改变介电常数，进而实现超透镜的可调节。示例性的，也可以将柔性材质应用到超透镜中，对其施加拉伸力，可以改变结构单元的几何形状与尺寸，进而实现超透镜的可调节。

实施例中采用的可调超透镜，示例性的，包括且不限于热控可调超透镜、光控可调超透镜或电控可调超透镜。示例性的，也可以是机械调控的超透镜，例如，超透镜的基底采用可拉伸材质，超透镜的纳米结构加工完成后固定在基底上，通过外部机械设备拉伸或压缩基底，改变超透镜上纳米结构的间距，从而改变通过超透镜的光的周期，进而改变光的相位。

根据本申请的实施方式，如下提供另一种形成多焦点并且通过超透镜进行采集的实施例。

本实施例中的观察物镜具体包括采集超透镜14，所述采集超透镜14与所述多焦点超透镜13光轴平行地设置。

具体的，如图8所示，由光源4发出的光线(照明光)被准直后，输入多焦点超透镜13，并且由多焦点超透镜13形成沿着轴线(图中虚线)的多个焦点。需要说明的是，为了清晰地呈现出本实施例的光路，在附图8中已将待测物体隐去。

同时，设置有采集超透镜14，同于接收所述多个焦点在待测物体上的反射光线，并调制为准直光线，输入至探测器3。

在优选实施例中，基于光路可逆的原理，采集超透镜14与多焦点超透镜13相同地构成，示例性的，采集超透镜14与多焦点超透镜13具有相同的结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布。以及示例性的，采集超透镜14与所述多焦点超透镜13对称设置，所述多个焦点所在的直线位于所述对称中轴线(图中虚线)。

基于上述实施方式，本实施例至少能够在相对较大的深度范围内实现三维高分辨率成像，有效地避免衍射带来的限制。

在优选实施例中，采集超透镜14与所述多焦点超透镜13构成于同一基底的不同区域。具体来说，照明光入射和收集路径通过两个超透镜(同一基底的两个超表面区域)分隔开。并且在照明光入射和收集路径的焦点间产生一对一或“双射”关系，从而有效地消除失焦信号。

根据本申请的实施方式，如下提供一种基于超透镜的层析成像方法。

这种方法包括如下步骤：

在照明臂的光路中提供相干光；

通过至少一个超透镜对所述相干光进行调制，形成沿光轴的多个焦点，并使所述多个焦点照射于待测样品；

在垂直于光轴的平面内移动所述待测样品，对待测样品扫描；

在与照明臂的光路不同的观察臂的光路中，通过观察物镜同时接收所述多个焦点于待测样品的反射光线，并于在探测器处成像，以获取待测样品的分层图像信息。

在优选实施例中，提供两束相干光，并且通过两个共焦点共光轴的超透镜，使两束相干光产生干涉，以形成所述多个焦点。

在优选实施例中，所述两束相干光均为中空环形光束。

在优选实施例中，所述两束相干光均包括极细光束。与其他实施例相同，上述极细光束指的是会聚角2α小于等于10°的光束。

实例

实例1

提供了一种基于4pi超透镜的层析成像系统，其中系统参数见表1。层析的x-y分辨率为500nm，轴向的分辨率为400nm，此系统的分辨率高，且成像速度快。

表1

参数	数值
		照明臂工作波长(nm)	532
超透镜的汇聚角(°)	2
		观察透镜工作波长(nm)	532
观察透镜数值孔径	0.5

实例2

提供了一种基于多焦点超透镜的层析成像系统，其中系统参数见表2。层析的x-y分辨率为550nm，轴向的分辨率为500nm，此系统的分辨率高，且成像速度快。

表2

以上所述，仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种小型化层析成像系统，其特征在于，包括照明臂和观察臂；

其中，所述照明臂包括至少一个超透镜和相干光源；所述观察臂包括观察物镜和探测器；

所述至少一个超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

其中，所述至少一个超透镜用于使来自所述相干光源的照明光形成沿所述超透镜的光轴的多个焦点；

所述观察物镜用于接收所述多个焦点于待测样品反射的光线，并成像于所述探测器，以同时获取待测样品的多层图像信息，

其中所述照明臂的光路与所述观察臂的光路不同。

2.根据权利要求1所述的小型化层析成像系统，其特征在于，还包括分束器，用于将来自所述相干光源的照明光按比例分成第一光线和第二光线；并且所述至少一个超透镜包括第一超透镜和第二超透镜，所述第一超透镜和所述第二超透镜相对设置，并且所述第一超透镜和所述第二超透镜共焦点且共光轴设置；

其中，所述第一超透镜配置为对第一光线进行调制，所述第二超透镜配置为对第二光线进行调制，以使调制过的第一光线和第二光线干涉，从而沿光轴形成多个焦点。

3.根据权利要求2所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述分束器为半反半透镜或立方棱镜。

4.根据权利要求2所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述分束器的分光比例为50:50。

5.根据权利要求2所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述照明臂还包括空间滤波器，设置于所述至少一个超透镜的光路上游，所述空间滤波器构成用于，将来自相干光源的相干光调制为环形光束。

6.根据权利要求2所述的小型化层析成像系统，其特征在于，在所述照明臂内，将如下光束入射至所述至少一个超透镜：所述光束经所述至少一个超透镜调制后具有小于等于10°的会聚角。

7.根据权利要求6所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述至少一个超透镜能够使所述多个焦点处的沿z轴的光场强度分布h^4Pi(z)_a→0满足：

其中，λ为照明光波长，α为会聚角，n为对应焦点周围的折射率，z轴为所述至少一个超透镜的共有光轴，z为以对应焦点为原点的z轴坐标。

8.根据权利要求2所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述相干光源提供的照明光，其相干长度大于10倍所述多个焦点的焦点深度。

9.根据权利要求1所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述超透镜为多焦点超透镜，所述多焦点超透镜的结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布配置为：接收并会聚来自相干光源的相干光，并且使会聚后的相干光沿直线形成多个焦点。

10.根据权利要求9所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述多焦点超透镜的纳米结构环形排布，其中不同环面的所述纳米结构的排布结构不同，以及不同环面的焦距不同，能够使会聚后的相干光沿光轴形成多个焦点，其中每个环面的半径r_k满足：

其中，k为从内往外的圆环序数，n为超透镜不同区域总数及焦点个数，R为超透镜半径。

11.根据权利要求9所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述观察物镜包括采集超透镜，所述采集超透镜与所述多焦点超透镜光轴平行地设置。

12.根据权利要求11所述的小型化层析成像系统，其特征在于，基于结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，所述采集超透镜与所述多焦点超透镜相同地构成，并且所述采集超透镜与所述多焦点超透镜对称设置，所述多个焦点所在的直线位于对称中轴线。

13.根据权利要求12所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述采集超透镜与所述多焦点超透镜构成于同一基底的不同区域。

14.根据权利要求1至6或8至10任一项所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述观察物镜垂直于所述超透镜光轴设置。

15.根据权利要求1至6或8至13任一项所述的小型化层析成像系统，其特征在于，包括样品台，设置于所述多个焦点处，用于放置待测样品，并且至少能够在垂直于光轴的平面移动。

16.根据权利要求2至6或8至13任一项所述的小型化层析成像系统，其特征在于，还包括扩束器，设置于所述相干光源的光路下游。

17.根据权利要求1至6或8至13任一项所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述相干光源能够提供可见光或近红外波段的相干光。

18.根据权利要求14所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述观察物镜的成像视场大于所述多个焦点的深度。

19.根据权利要求18所述的小型化层析成像系统，其特征在于，所述观察物镜为单色像差校正超透镜；所述观察物镜的共轭距无限远。