基于點(diǎn)源成像的微球成像分辨能力仿真分析

王宇瑩, 洪羽劍, 盧鈞勝,2, 曾婧瀟, 付曉鋒, 胡曉東

(1. 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院, 天津 300072; 2. 天津工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 天津 300387)

光學(xué)顯微鏡豐富了人們對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí), 在生物醫(yī)學(xué)、 材料科學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。 然而, 傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨能力會(huì)受到衍射極限的限制[3]。 為了提高成像分辨能力, 2011年, Zengbo Wang等[4]提出了基于微球透鏡的顯微成像技術(shù), 使用直徑為2 μm～9 μm的二氧化硅微球, 結(jié)合80×, NA=0.9的物鏡, 成功在鹵素?zé)粽彰飨聦?shí)現(xiàn)了最小尺寸為50 nm的微結(jié)構(gòu)的觀測(cè)。 2022年, Yurong Cao等[5]使用完全浸沒(méi)于PDMS、 直徑為30 μm的鈦酸鋇微球輔助顯微鏡, 對(duì)金、 銀、 鉻制成的納米顆粒樣品進(jìn)行了成像, 能夠分辨出130 nm的間隙距離。 Jianguo Wang等[6]優(yōu)化了浸沒(méi)介質(zhì), 直徑為10 μm的PS微球在半浸沒(méi)狀態(tài)下可以清晰分辨出直徑為200 nm的二氧化硅納米粒子陣列。 基于微球透鏡的顯微成像技術(shù)具有成像系統(tǒng)簡(jiǎn)單、 可實(shí)時(shí)成像、 不需要熒光染料進(jìn)行標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn), 具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

2015年, T.X.Hoang等[7]基于米氏理論, 仿真了微球?qū)c(diǎn)光源的成像過(guò)程, 指出在共振模式下其分辨能力有顯著提升; 2016年, A. V. Maslov和V. N. Astratov[8]對(duì)微球成像系統(tǒng)進(jìn)行了二維仿真, 分析了光源相干性對(duì)微球分辨能力的影響, 發(fā)現(xiàn)相干光源照明條件下具有更高的分辨能力; 2020年, L.Y.Yu等[9]建立了三級(jí)全波模擬體系來(lái)深入分析微球的成像特性, 研究了樣品的材料屬性對(duì)微球分辨率的影響, 結(jié)果表明, 金屬樣品具有更好的成像效果。 以上研究工作分析了共振模式、 照明條件、 樣品材料等對(duì)成像分辨能力的影響, 然而缺乏對(duì)于微球尺寸等成像系統(tǒng)參數(shù)變化如何影響成像分辨能力的仿真分析。……