微球透镜组件
阅读说明：本技术 微球透镜组件 (Microsphere lens assembly ) 是由 索林·斯特内斯库 塞巴斯蒂安·维拉 吴敬慈 李琳 于 2018-06-28 设计创作，主要内容包括：微球透镜组件(10)包括微球透镜(1)和基础透镜(3),其二者通过光学透明材料(2)形成的柱体连接在一起,所述光学透明材料(2)形成的柱体将微球透镜(1)相对于基础透镜(3)保持在固定位置上。当微球透镜(1)相对于基础透镜(3)固定在正确的位置上时,可以结合合适的显微镜来使用组件(10),用于进行超分辨率显微和/或加工。(The microsphere lens assembly (10) comprises a microsphere lens (1) and a base lens (3) which are connected together by a column of optically transparent material (2), the column of optically transparent material (2) holding the microsphere lens (1) in a fixed position relative to the base lens (3). When the microsphere lens (1) is fixed in the correct position with respect to the base lens (3), the assembly (10) can be used in conjunction with a suitable microscope for super-resolution microscopy and/or machining.)
技术领域
本发明涉及微球透镜组件。特别地，本发明涉及微球附接到显微镜的物镜上的微球透镜组件。本发明还涉及这种微球透镜组件的制造和用途。
背景技术
由于远场衍射极限的存在，常规光学显微成像分辨率在可见光谱内具有约200nm的理论极限；由此导致常规光学显微成像不适于对结构小于此极限的对象成像，例如，活病毒(通常为5-150nm，有些能达到300nm)。为了使这些结构的成像超越光学衍射极限，已使用了其它技术。
透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)通常用于在真空中以非常高的分辨率(10nm)对专门制备的死病毒结构成像。这些技术需要复杂的样品制备过程，并且不适于体内成像和检测(电子束会影响活细胞、病毒等)。
原子力显微镜(AFM)可通过接触式探针对小结构样品进行良好的成像。样品易于受到AFM尖端的损坏。此外，该技术并不提供真是的图像，而是提供重建的成像。
受激发射损耗(STED)荧光显微术是一种近年来建立起来的能够超越光学衍射极限、以低至6nm分辨率对细胞结构、细菌和病毒进行成像的方法。该技术是基于在荧光样品被特定波长的激光激发时对其发射的光的检测以及使用另一不同波长的激光关闭部分荧光区。STED荧光显微术可提供更好的分辨率，但需要对样品进行复杂的制备(荧光标记)，而这并不总是适于活生物体的成像。荧光成像技术主要可对有机样品提供良好的结果。然而，对于高分辨率，该技术面临着光漂白的挑战，其将最小曝光时间限制在几十秒。
近年来，使用定位在物镜和样品之间的微球阵列证实了超分辨率成像。在这种阵列中使用的微球通常具有10μm级的直径。微球的使用使得能够捕获存在于“远场”区域中具有不同折射率的两种不同介质的边界处的倏逝波。这些倏逝波携带有高空间频率亚波长信息，并随距离呈指数衰减。因此，靠近表面的微球在检测所述倏逝波上比常规物镜更有效。
CN102305776B公开了一种直径为1-9μm、用作透镜的微球，其与要成像的对象接触或距离其小于100nm的距离。要成像的对象必须是金属样品或镀金样品(用于半导体材料)。检测机制是基于检测出现于金属与非金属间的表面等离子体。微球球托有两种类型：顶部8μm、底部2.8μm的位于硅中的锥形孔，使用UV固化粘合剂来固定微球；透明玻璃尖端，使用UV固化粘合剂来固定微球。这类结构不是特别地牢固，或者不适于容易地装配到现有微球上。此外，微球没有附接到物镜上，因此，不能保证可与物镜的光轴对准。
WO2015/025174A1公开了一种嵌入主体材料(弹性材料、玻璃或塑料)中并置于工件上的微球阵列。这种透镜薄片可重复用于成像。微球阵列难以制造，并且易碎、易于损坏。使用如此小的微球也给图像的增加失真和更受限的视野带来了困难。此外，微球没有附接到物镜上，因此，不能保证可与物镜的光轴对准。
超分辨率成像设备还可适于用于基于激光的微细加工。在这种技术中，加工分辨率受到聚焦激光束光斑尺寸的限制。该尺寸为激光波长的一半，因此，很难加工亚波长结构。先前的研究工作证实了使用散布在目标对象表面上的微球可以进行超分辨率成像或亚波长激光加工。对于实际的加工技术，微球不可以放置在加工对象上。因此，这种技术还需要简单、牢固、可进行准确定位并且易于装配到现有显微镜上的安装结构。
因此，本发明的目的是实现至少部分克服或缓解部分上述问题的超分辨率显微术和/或微加工。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种微球透镜组件，包括基础透镜、微球透镜和自所述基础透镜的前表面延伸至所述微球透镜的光学透明材料形成的柱体。
上述组件可用作显微镜的物镜或用作物镜布置结构的前透镜。由此，该组件可使显微镜用于超分辨率显微术及激光微加工。通过所述柱体将所述微球透镜固定到所述基础透镜上可使微球透镜准确定位在距离基础透镜的固定距离处，并在使用时与光轴对准，用于实现最佳性能。将微球透镜固定在合适位置上还提供了简单且牢固的附接构建方式。这种系统适于金属和非金属靶材料，特别是适于成像和处理生物样品(例如，细胞)。
为了本申请的目的，光学透明材料对可见光透明或基本透明。
所述微球透镜可包括微球或截断的微球。使用微球而不是截断的微球可提高分辨率，但也会增加失真。为了避免疑义，截断的微球包括被垂直于所述光轴的平面截断的微球。在一些实施例中，所述截断的微球可包括半球。
在一些实施例中，所述微球透镜可包括微球阵列。所述微球阵列可由任何合适的方法形成，包括，但不限于，自组装。在一些实施例中，所述微球透镜可包括截断的微球阵列。这种截断的微球可包括半球。
包括所述微球透镜的微球可具有1-1000μm的直径。在一个实施例中，所述微球可具有90-106μm的直径。特别地，所述微球可具有约100μm的直径。在另一实施例中，所述微球可具有5-15μm的直径。
包括所述微球透镜的微球可具有1.5-4的折射率。在一个实施例中，所述微球可具有1.55-2.4的折射率。特别地，所述微球透镜可具有约1.9-2.2的折射率。
包括所述微球透镜的微球可以由任何合适的材料形成，包括，但不限于，钛酸钡(BaTiO3)、聚苯乙烯、二氧化硅(SiO2)、金刚石、蓝宝石(Al2O3)、二氧化钛、立方氧化锆、氧化锌、硅、锗、磷化镓及砷化镓等。
所述光学透明材料可包括玻璃或合适的塑料。在这些实施例中，所述光学透明材料可通过合适的技术预形成柱体，该技术包括，但不限于，模制或加工。在这些实施例中，预形成的柱体可通过合适的胶粘剂粘到所述基础透镜和所述微球透镜上。合适的胶粘剂可包括NOA81、MY-132、MY132A等。
所述光学透明材料可包括胶粘剂或树脂。优选地，所述光学透明材料是UV光可固化的。在所述光学透明材料为胶粘剂的情况下，它可包括诸如NOA81、MY-132、MY132A等胶粘剂。
所述光学透明材料形成的柱体的几何形状由所述微球透镜和基础透镜的相对光学性质和尺寸决定。特别地，所述光学透明材料形成的柱体的几何形状选择成使得所述微球透镜作为一个整体能够将来自样品的光聚焦用于成像或用于加工目的将光聚焦到样品上。在优选实施例中，所述柱体自所述基础透镜的边缘延伸至所述微球透镜的边缘。由于所述微球透镜通常比所述基础透镜窄，因此，所述柱体可是锥形柱体。所述柱体的锥形可以是恒定的，也可以是可变的。
根据本发明的第二方面，提供一种构造微球透镜组件的方法，包括以下步骤：将基础透镜附接到显微镜上；在样品上提供微球透镜；在所述基础透镜和所述微球透镜之间施用光学透明且UV光可固化的材料；调节所述微球透镜与所述基础透镜之间的间距，直到所述微球透镜位于所述基础透镜的视场中心且所述样品对焦；用UV光照亮所述基础透镜的背面；及将所述基础透镜与所述样品分开。
本发明第二方面的方法可根据需要或视情况包括本发明第一方面的任一或全部特征。
以上方法提供了用于超分辨率显微术的有效微球透镜组件的简单构造方式。居中和对焦可确保所述微球透镜相对于所述基础透镜定位在所需的位置上。用UV光对居中且对焦的微球透镜照明可使光学透明材料形成的柱体固化，使所述微球位于柱体尖端。使所述基础透镜与样品分开使得所述微球透镜和柱体能够提离所述样品。
在优选实施例中，所述样品为已知样品。特别地，所述样品可以是专门的校准样品。
所述方法可包括在用UV光照亮所述基础透镜的背面后清理掉多余光学透明材料的步骤。清理可通过任何合适的方法实现，该方法包括，但不限于，使用合适的布或纸巾擦去多余材料。额外地或替代地，清理可涉及合适溶剂的使用。可根据选择的特定光学透明材料来改变选择的特定溶剂。合适的溶剂可包括，但不限于，异丙醇、氢氧化钠(优选稀释的氢氧化钠)、氢氧化钾(优选稀释的氢氧化钾)等。
在某些情况下，使用UV光照亮所述基础透镜的背面并不导致所述光学透明材料的完全固化。在这种情况下，所述方法可包括使所述光学透明材料进一步暴露于UV光下完成固化的步骤。这种在UV光下的进一步暴露优选在清理之后进行。UV光下的进一步暴露可由外部光源提供。
在一些实施例中，所述微球透镜可包括单个微球。在其它实施例中，所述微球透镜可包括微球阵列。所述微球阵列可由任何合适的方法形成，所述方法包括，但不限于，自组装。自组装可涉及提供水中含有多个微球的悬浮液并使水蒸发的步骤。接下来，自组装可涉及对微球阵列施用胶粘剂来将微球固定就位。在一些实施例中，所述胶粘剂可随后被固化。固化可涉及暴露于UV光下或任何其它合适的方法。
所述方法可包括截断所述微球透镜的额外步骤。截断优选在形成所述组件之后进行。截断可使用任何合适的方法实现。在一个实施例中，截断可通过使用聚焦离子束(FIB)系统在所需距离处来切割包括微球透镜的一个或多个微球来实现。在另一实施例中，截断可通过对包括所述微球透镜的一个或多个微球进行研磨直到达到所需的截断形状来实现。研磨可使用配有金刚石研磨膏的研磨台来进行。为实现抛光的截断表面，可相继施用各种不同的金刚石研磨膏。
根据本发明的第三方面，提供一种物镜或物镜布置结构，其包括本发明第一方面所述的微球透镜组件。
本发明第三方面的物镜或物镜布置结构可根据需要或视情况包括本发明第一和第二方面的任何或全部特征。
根据本发明的第四方面，提供一种超分辨率显微设备，包括：显微镜、及根据本发明第三方面所述的物镜或物镜布置结构。
本发明第四方面的设备可根据需要或视情况包括本发明第一至第三方面所述的任何或全部特征。
所述设备可包括可操作用于产生照亮样品的光的照明装置。根据要求或需求，产生的光可以是单色谱或广谱。所述照明装置可操作成以反射或透射模式照亮所述样品。在所述照明装置可操作成以反射模式照亮所述样品的实施例中，所述设备在所述照明装置和所述微球透镜组件之间设置有受限的孔。该受限的孔可操作成提供狭窄的照明束，从而提高分辨率。
所述设备可设置有成像装置，该成像装置可操作成捕获透过所述物镜观察到的样品的图像。通常，该成像装置可包括光学传感阵列，例如，CCD(电荷耦合器件)阵列。
所述成像装置可与图像处理装置相连，所述图像处理装置可操作成对捕获的图像进行处理。该处理操作可包括用于去除朝着所述微球透镜的边缘的径向(枕形)失真的处理。额外地或替代地，所述处理可包括诸如滤波、阴影消除、边缘检测、反向等其它步骤。
所述设备可包括样品架，样品可置于该样品架上使得其可以透过微球透镜组件观察到。所述样品架可操作成可控地改变所述微球透镜组件与所述样品之间的间距。所述样品架可操作成可控地改变所述样品相对于所述微球透镜组件的在垂直于所述微球透镜组件的光轴的平面上的位置。在这种情况下，所述样品架可包括扫描台。这样可实现相对于所述微球透镜组件的样品的扫描，使得可以对样品的增大区域进行成像。
所述设备可包括多个物镜。在这种情况下，所述样品可包括用于在所述物镜间进行转换的装置。在这样的实施例中，每个物镜可包括微球透镜组件。
所述物镜可适于使得对所述物镜进行移除或更换。替代地，所述物镜布置结构可适于使得对前透镜进行移除或更换。
所述设备可设置有加工激光束源。加工激光束可对准穿过所述微球透镜组件。这使得可使用所述设备对靶表面进行微加工。特别地，这使得能够对靶表面进行亚波长激光加工。
根据本发明的第五方面，提供一种利用本发明第四方面的显微镜的超分辨率显微方法，该方法包括：提供样品；相对于所述样品定位微球透镜组件以及捕获所述样品的一个或多个图像。
本发明第五方面的方法可根据需要或视情况包括本发明前述方面的任何或全部特征。
该方法可包括改变所述微球透镜组件和所述样品之间的间距。该方法可包括改变所述样品相对于所述微球透镜组件的在垂直于所述微球透镜组件的光轴的平面上的位置。特别地，该方法可涉及相对于所述微球透镜组件扫描所述样品。这使得可对样品的增大区域成像。
所述方法可包括在微球透镜组件和样品之间引入液体。该液体可通过施用给所述样品来引入。
所述方法可包括对捕获的图像进行处理。特别地，所述方法可包括用于去除径向失真的处理。额外地或替代地，所述方法可包括诸如滤波、阴影消除、边缘检测、反向等其它步骤。
所述方法可包括对样品进行加工的额外步骤。加工可通过以下步骤来实现：提供加工激光束源，该加工激光束被对准使得其穿过所述微球透镜组件；及通过将样品的靶表面暴露于所述加工激光束中来加工所述靶表面。加工可与成像同时进行。
根据本发明的第六方面，提供一种利用本发明第四方面的显微镜的加工方法，该方法包括：提供样品；相对于所述样品定位所述微球透镜组件；提供加工激光束源，使其对准使得加工激光束穿过所述微球透镜组件；及通过将样品的靶表面暴露于所述加工激光束来加工所述靶表面。
本发明第六方面的方法可根据需要或视情况包括本发明前述方面的任何或全部特征。
附图说明
为了使本发明的技术方案更易于理解，下面将参照附图以示例的方式对本发明的实施例进行描述，附图中：
图1示出了本发明一实施例中的用于显微镜的微球透镜组件，其包括单个微球；
图2示意性地示出了将图1的微球透镜组件装配到物镜布置结构上；
图3示意性地示出了制造图1所示微球透镜组件的一系列步骤；
图4示出了本发明一替代实施例中的用于显微镜的微球透镜组件，其包括单个截断的微球；
图5示出了用于图4所示微球组件的截断的微球；
图6示出了本发明一实施例中的用于显微镜的微球透镜组件，其包括微球阵列；及
图7示出了本发明一实施例中的用于显微镜的微球透镜组件，其包括截断的微球阵列。
具体实施方式
参照图1，其示出了微球透镜组件10，用于与显微镜一起使用。微球透镜组件10包括微球透镜1和基础透镜3，其通过光学透明材料2形成的柱体连接在一起。在图1所示的示例中，微球透镜1为单个微球11的形式。
光学透明材料2形成的柱体将微球透镜1相对于基础透镜3保持在固定位置上。如果微球透镜1相对于基础透镜3固定在正确的位置上，则可以结合合适的显微镜来使用组件10，用于执行超分辨率显微术和/或加工。
对于实际的实施方式，基础透镜3可包括显微镜的物镜、或物镜布置结构的前透镜。在优选实施例中，如图2所示，基础透镜3为物镜布置结构6的可移除的前透镜。这种透镜布置结构6通常可包括一系列的在壳体7内彼此以固定间距装配的选定透镜。前透镜支座5可可释放地附接到壳体7上，可释放的附接可以通过螺纹等实现。这使得可以移除前透镜来进行清洁、和/或在前透镜损坏时来对其进行更换。这样比修理或替换整个物镜布置结构6更便宜和简单。
在该示例中，前透镜支座5适于与基础透镜3的边缘4接合，以可释放地将基础透镜3和透镜组件10保持在该支座内。因此，当透镜组件10损坏时，可以将其拆卸下来进行维修或更换。
现在请参照图3(a)-图3(f)，其示意性地示出了图1中透镜组件的制造方法。在该示例中包括单个微球11的微球透镜10置于已知样品30上。该样品置于显微镜20的扫描台21上。选择微球透镜组件10要装配在的物镜22。物镜22包括位于壳体7内的如图2所示的物镜布置结构6，并且具有可移除的前透镜3，前透镜3将形式微球组件的基础透镜3。在此阶段可对物镜22和扫描台进行调整以使微球透镜10在物镜22的视场中居中并使物镜22聚焦，使得透过物镜22和微球透镜10观察样品20部分对焦。
如图3(b)所示，在前透镜3和微球透镜1之间施用光学透明UV固化胶粘剂(或树脂)40。这使得在前透镜3和微球透镜1之间形成胶粘剂本体41，如图3(c)所示。选择的胶粘剂40必须具有合适的性质用于要使用完成后组件的样品的成像(或加工)。例如，如果组件10是要用于进行荧光成像，那么胶粘剂40就必须具有非常好的UV光透明性。类似地，如果组件10是要用于使用相对高折射率(比如，1.5或更高)的微球透镜1进行成像或加工，则胶粘剂40就必须具有非常好的IR光透明性。
在此阶段，可对物镜22和扫描台21进行最后的调节，使微球透镜10在物镜22的视场中居中并使物镜22聚焦，使得透过物镜22和微球透镜10观察样品30部分对焦。在完成以上最后的调节步骤后，可使用UV光源50来照亮基础透镜3的背面。在图3(d)所示的示例中，UV光源定位在显微镜20的目镜23处。在更典型的实施例中，UV光源可以耦合到相机端口(未示出)或其它端口，用于照亮样品。
来自光源50的UV光通过基础透镜3与物镜布置结构6聚焦在微球透镜1上。UV光在本体41内固化柱体2，如图3(e)所示。UV光暴露的持续时间和强度将取决于所选择的形成本体41的UV胶粘剂的性质。柱体2的几何形状由基础透镜3的光学性质确定。通常，柱体2具有在基础透镜3的边缘和微球透镜1的边缘之间逐渐变细的大致圆锥形形状。
柱体2形成之后，可去除形成本体41剩余部分的未固化材料，留下微球组件10。通常，去除多余的光学透明材料可通过用溶剂进行清洗来实现。然后，可用第二UV光源55对柱体2照明延长的时间段，以进行进一步固化，如图3(f)所示。随后，柱体2和/或微球透镜1可任选地根据需要或要求作进一步清理和抛光。
因此，以上方法提供了用于超分辨率显微术或加工的微球透镜组件10的简单有效的构造方法。由于该方法相对简单，因此，可使用该方法来利用备用基础透镜3形成多个微球透镜组件10。这样可实现使用过程中损坏的组件10的简单替换。额外地或替换地，可以由基础透镜3和微球透镜1的不同组合形成多个微球透镜组件10。这样可形成具有针对不同样品成像或加工的优化的性能的不同微球透镜组件10。
例如，如图4所示，微球透镜组件10的微球透镜1包括截断的微球12。这种组件10可利用微球11通过与图3(a)-3(f)相同的步骤以及自微球11的前部移除球形盖部留下截断的前表面13的额外步骤所形成。
该移除操作可通过任何合适的方法进行。在一个示例中，该移除操作可通过使用聚焦的离子束来切割微球11来实现。在替代示例中，该移除操作可通过使用研磨台对微球11进行研磨来实现。该研磨台可相继利用不同的金刚石研磨膏，以使得能够在该过程的开始阶段快速去除材料，并在该过程的最后阶段对前表面13进行抛光。
可以有效利用如图4所示的比图1所示组件10具有较短的样品与微球透镜1间间隔距离的组件10。间隔距离的缩短与为形成截断的微球12而切掉的材料的量有关。图5示出了截断的微球12是如何由两个变量(a和h)限定的；距离h和a可达到等于微球半径r的最大长度。在a＝r的情况下，截断的微球12是半微球。
h值越大，对于给定的微球直径、折射率和波长，数值孔径就越小。截断微球12没有像差的有效视场(A)由下式给出：A＝πa2。
除了包括单个微球11或截断微球12的组件10外，也可以提供微球透镜1包括微球11阵列的组件10，如图6所示。这种组件可使用与上述图3(a)-3(f)相同的方法来形成，除了初始步骤是将微球阵列14设置在样品30上之外。微球11阵列可通过任何合适的方法形成。在该示例中，对于相对小的阵列，所述阵列可通过在放置悬浮有合适浓度的微球11的液滴(通常为水滴)后由自组装形成。随着水的蒸发，微球11自组装成密集阵列。
在图7所示的另一实施例中，微球透镜1包括截断微球12阵列。这种组件10可使用与上述图3(a)-3(f)相同的方法以及上面图6提及的在样品30上设置微球11阵列的初始步骤来形成。图7所示组件10的制造方法还包括自每个微球11的前部移除球形盖部留下截断前表面13的额外步骤。该移除操作可如上文中关于图4所述的通过使用聚焦离子束或研磨台来实现。
上文所述的微球透镜组件10可根据要求或需要对样品30进行成像和/或对样品30进行加工。
虽然以上实施例主要是基于在包括物镜设置结构的前透镜的基础透镜3上形成微球透镜组件10展开描述的，但是，本领域技术人员将理解的是，也可以在包括单个物镜的基础透镜上形成这种组件10。
仅通过示例的方式对上述实施例进行了描述。在脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以作出许多变化。