本技术提供了一种基于物镜光轴偏离显微镜主光轴实现超分辨光学显微成像的方法。本发明提出了一种无需改装或增加复杂设备,即可利用常规光学显微镜实现超分辨成像的方法。通过微调物镜转盘角度,使物镜光轴与显微镜主光轴形成3°~4°的夹角,并缩小孔径光阑的开口直径,可将显微镜的分辨率从约300nm提高至100nm。该方法合理优化并利用了显微镜自身的光学成像条件,特别适用于对样品表面周期性线阵列纳米结构的高分辨、实时、无损观测。此方法操作简单、成本低廉,拓展了常规光学显微镜的应用范围,在材料微结构分析、半导体芯片检测等领域具有良好的实用价值和应用前景。
背景技术
光学显微镜是最常用的显微成像工具之一,广泛应用于材料科学、生物医学、半导体等领域。然而,受光学衍射极限的制约,常规光学显微镜的成像分辨率通常被限制在200-300nm量级,难以满足对样品中精细微观结构进行高分辨成像和分析的需求。为突破这一限制,研究人员发展了多种超分辨率光学显微成像技术,包括超分辨荧光显微镜、近场超分辨成像技术和结构化照明显微镜等。
超分辨荧光显微技术,如受激发射损耗显微镜(STED)、光激活定位显微镜(PALM)和随机光学重构显微镜(STORM),利用荧光分子的可控激发和发射,实现了对生物样品的超分辨成像,成像分辨率可达20nm量级。然而,这类技术依赖于对样品进行荧光标记,操作复杂、成本较高,且对实验环境和样品本身有较为苛刻的要求,在材料领域等日常检测中的应用受到限制。
近场超分辨成像技术,如近场扫描光学显微镜、微球超透镜和固体浸没透镜,通过在样品表面引入纳米尺度的光学元件,捕获近场区域的消逝波实现对样品的超分辨成像,成像分辨率可达50-100nm量级。然而,这类技术通常需要复杂的实验装置和精细的操控,成像速度较慢或视场范围有限,在对大面积样品进行高通量观测时存在局限性。
结构化照明显微镜(SIM)通过向样品投射周期性结构光照明,利用光学条纹对样品高频信息的调制作用,在常规显微镜分辨率的基础上实现约2倍的提升,成像分辨率可达100-120nm。然而,SIM对光学系统的稳定性和精密度要求较高,设备成本较为昂贵,且获得超分辨图像需要较复杂的算法处理和图像重建。
此外,暗场显微技术和斜射照明显微技术则通过采用特殊的照明方式,在一定程度上增强了显微镜对样品细微结构的成像能力。暗场显微技术利用环形光阑或暗场聚光器产生中心遮蔽的环形照明光,使光线以较大倾斜角(通常为60-80°)斜射入射到样品表面,物镜只收集样品表面散射光而滤除背景光,从而在暗背景下更好地突出样品的细微结构。斜射照明显微技术则在显微镜的照明光路中引入斜射挡片或偏心光阑等元件,使照明光以一定的倾斜角度(通常为5-45°)照射到样品表面,在一定程度上提高了图像分辨率。然而,受制于光学衍射极限,这两种技术的成像分辨率提升有限,难以真正实现超分辨成像。
综上所述,现有的超分辨率显微成像技术往往依赖复杂昂贵的设备、精细的操控以及繁琐的样品制备,难以满足材料领域对样品进行简便、快速、低成本和高分辨检测的日常需求。因此,亟需开发一种无需对显微镜系统进行复杂改造、操作简便、成本低廉的新型超分辨光学显微成像技术,以实现对样品纳米尺度精细结构的高效、实时检测,切实满足生产实践的应用需求。
实现思路