專利名稱：一種激光相干衍射顯微成像裝置及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光相干衍射顯微成像裝置及其在三維立體實(shí)時(shí)成像中的應(yīng)用。
技術(shù)背景
相干衍射成像(coherence diffraction imaging, 0)1)技術(shù)是最近十幾年發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)，它使得光學(xué)衍射分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法從晶體擴(kuò)展到非晶體，在物理、化學(xué)、生物、材料等學(xué)科都有重要的應(yīng)用前景。
相干衍射的基本原理是平面光波經(jīng)物體衍射后，遠(yuǎn)場的波前是從物體出射光波的傅立葉變換，探測器可以記錄光強(qiáng)，卻無法獲得光波的相位信息，但是可以通過過度取樣， 迭代算法恢復(fù)光波的振幅和相位，從而重建物體的圖像。它有三個(gè)重要的應(yīng)用個(gè)方向第一，非晶材料三維結(jié)構(gòu)的測定，包括納米晶體中缺陷和應(yīng)力場的確定和非有序材料如納米顆粒和生物材料的定量三維成像；第二，整個(gè)細(xì)胞的三維成像，主要致力于細(xì)胞內(nèi)特殊多蛋白質(zhì)復(fù)合體的定位；第三，采用極強(qiáng)的超短X射線脈沖對單個(gè)大蛋白質(zhì)復(fù)合體成像的潛在可能性。
最新研究表明，通過單幅衍射圖樣也可以獲得物體的三維結(jié)構(gòu)。對于一個(gè)有限的物體的衍射圖樣，當(dāng)在艾瓦爾球上足夠大的范圍內(nèi)取樣時(shí)，物體的三維的圖像可以通過二維的衍射圖樣來確定。這種方法可以確定樣品的三維結(jié)構(gòu)，而不需要對樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、掃描和切片。
相干衍射實(shí)驗(yàn)一般是在高質(zhì)量的同步輻射光源上完成的，應(yīng)用第三代同步輻射光源，其成像的分辨率可以達(dá)到幾個(gè)納米，相對同步輻射光源的吸收成像和同軸相襯實(shí)驗(yàn)來說分辨率高很多，隨著第四代光源X射線自由電子激光的發(fā)展，相干衍射成像將得到更廣泛的應(yīng)用。
激光的相干衍射成像可見的報(bào)道不多，這些報(bào)道中都采用了透鏡進(jìn)行擴(kuò)束的方法，樣品大小為幾個(gè)毫米，分辨率在十幾個(gè)微米，光束的大小和光通量限制了樣品的大小和圖像的分辨率，不能對細(xì)胞等較小的樣品進(jìn)行三維立體的實(shí)時(shí)成像。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目是提出一種通過透鏡和衰減片壓縮光束，實(shí)現(xiàn)微米尺度樣品的激光相干衍射顯微成像裝置及其應(yīng)用。
本發(fā)明所述的激光相干衍射顯微成像裝置，其特征在于所述裝置沿光束前進(jìn)方向依次共軸排列有激光器、衰減片、第一透鏡、第一光闌、第二透鏡、第二光闌、樣品臺(tái)及固定其的旋轉(zhuǎn)支架、擋板和CCD圖像傳感器，以及能實(shí)現(xiàn)CCD圖像傳感器左右、上下、前后移動(dòng)的步進(jìn)架，和連接CXD圖像傳感器的計(jì)算機(jī)；其中所述衰減片、第一透鏡、第一光闌、第二透鏡、第二光闌固定在光具座上，所述擋板固定在CCD圖像傳感器上，CCD圖像傳感器固定放置在兩個(gè)相互垂直的能左右、上下移動(dòng)的步進(jìn)架上，然后再固定在能沿光路方向前后移動(dòng)的步進(jìn)架上。
進(jìn)一步的，上述激光相干衍射顯微成像裝置中所述衰減片衰減倍數(shù)優(yōu)選為10 倍 1000倍；所述第一透鏡和第二透鏡的焦距分別優(yōu)選為50mm 3000mm，兩個(gè)透鏡的焦點(diǎn)重合，兩透鏡按焦距的比例壓縮光束，第一光闌和第二光闌分別放在第一透鏡和第二透鏡的焦點(diǎn)上用于消除光路的雜散光；所述樣品臺(tái)放在激光的腰斑處，樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)角度范圍是O度 180度；所述擋板為正方型，邊長優(yōu)選Imm 3mm，設(shè)置于激光直射CXD 圖像傳感器的路徑上用于擋住直射到CCD上的激光；所述CCD圖像傳感器收集的衍射信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
本發(fā)明所述激光相干衍射顯微成像裝置的應(yīng)用，步驟是
第一步部署一套激光相干衍射成像裝置，所述裝置沿光束前進(jìn)方向依次共軸排列有激光器I、衰減片2、第一透鏡3、第一光闌4、第二透鏡5、第二光闌6、樣品臺(tái)7、及固定其的旋轉(zhuǎn)支架、擋板8和CXD圖像傳感器9，以及能實(shí)現(xiàn)CXD圖像傳感器左右、上下、前后移動(dòng)的步進(jìn)架，和連接CCD圖像傳感器的計(jì)算機(jī)10 ；
第二步壓縮、聚焦和凈化光束，方法如下
選擇衰減倍數(shù)為10倍 1000倍的衰減片；選擇焦距分別為50mm 3000mm的第一透鏡和第二透鏡，調(diào)整兩個(gè)透鏡的距離，使兩個(gè)透鏡的焦點(diǎn)重合；第一光闌放置在第一透鏡的焦點(diǎn)上，第二光闌放置在第二透鏡的焦點(diǎn)上，以消除光路的雜散光，得到凈化光束；
第三步放入樣品，采集衍射信號(hào)，方法如下
樣品臺(tái)放在激光的腰斑處，將樣品固定到樣品臺(tái)上；上下左右移動(dòng)樣品，用CCD找到衍射信號(hào)，C⑶圖像傳感器距離樣品Icm 5cm，選擇衍射信號(hào)的中間位置采集信號(hào)，曝光時(shí)間為I秒 8秒，曝光次數(shù)100次 1000次；然后調(diào)整兩個(gè)相互垂直的步進(jìn)架，使CXD圖像傳感器垂直光路移動(dòng)，移動(dòng)CXD圖像傳感器到衍射信號(hào)的左上角、左下角、右上角和右下角，分別采集幾個(gè)位置的高角度信號(hào)；然后調(diào)整沿光路方向放置的步進(jìn)架，使CCD圖像傳感器沿著光路遠(yuǎn)離樣品移動(dòng)，移動(dòng)到距離樣品的距離為Icm 100cm，按照相同的曝光時(shí)間和曝光次數(shù)收集較低角度的衍射信號(hào)；
第四步依據(jù)保存到計(jì)算機(jī)中的衍射信號(hào)，將CCD圖像傳感器在Icm 5cm處收集到的不同位置衍射信號(hào)在計(jì)算機(jī)中合成單張的衍射圖像，將CCD圖像傳感器沿光路移動(dòng)后收集到的低角度衍射信號(hào)用來填補(bǔ)Icm 5cm處擋板擋住的衍射信號(hào)，用迭代算法得出重建物體振幅和相位圖像。
第五步每隔I度 10度旋轉(zhuǎn)一次樣品，每旋轉(zhuǎn)一次，就重復(fù)第三、四步中的信號(hào)采集、振幅和相位重建的步驟，得到樣品間隔I度 10度的振幅和相位圖像；
第六步將樣品間隔I度 10度的振幅和相位圖像用層析成像的方法合成物體的三維圖像。
本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明所述激光相干衍射成像裝置利用透鏡和衰減片壓縮光束，有效的縮小了光束并提高了光通量，進(jìn)而提高了成像的分辨率，可以實(shí)現(xiàn)微米尺度的樣品的衍射信號(hào)采集， 采集信號(hào)的CCD圖像傳感器可以在沿光路和垂直于光路的方向上進(jìn)行移動(dòng)，分別采集高角度和低角度的衍射信號(hào)，這些信號(hào)合成為單幅衍射圖樣，提高了傅立葉空間的范圍和衍射圖樣的襯度，分辨率可以提高到亞微米，并且可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)成像。本發(fā)明在不需要對樣品進(jìn)行接觸、切片、染色和熒光的條件下獲得三維立體實(shí)時(shí)圖像，對于分析微米尺寸樣品結(jié)構(gòu)、變化及形成過程具有重要應(yīng)用價(jià)值。


圖I是本發(fā)明一種激光相干衍射顯微成像方法的示意圖。
其中激光器I、衰減片2、透鏡3、光闌4、透鏡5、光闌6、樣品7、擋板8，CXD圖像傳感器9、計(jì)算機(jī)10。
圖2是相干衍射成像的一個(gè)樣品，為微球硅膠排列的矩形。
圖3是實(shí)施例I的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖4是利用過度取樣和迭代算法重建的實(shí)物圖像。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，如下所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
實(shí)施例I :
如圖1，本發(fā)明所述激光相干衍射顯微成像裝置沿光束前進(jìn)方向依次共軸排列有激光器I、衰減片2、第一透鏡3、第一光闌4、第二透鏡5、第二光闌6、樣品臺(tái)7、及固定其的旋轉(zhuǎn)支架、擋板8和CXD圖像傳感器9，以及能實(shí)現(xiàn)CXD圖像傳感器左右、上下、前后移動(dòng)的步進(jìn)架，和連接CXD圖像傳感器的計(jì)算機(jī)10 ;其中所述衰減片、第一透鏡、第一光闌、第二透鏡、第二光闌固定在光具座上，所述擋板固定在CCD圖像傳感器上，CCD圖像傳感器固定放置在兩個(gè)相互垂直的能左右、上下移動(dòng)的步進(jìn)架上，再固定在能沿光路方向前后移動(dòng)的步進(jìn)架上。
進(jìn)一步的，上述激光相干衍射顯微成像裝置中所述激光器為He-Ne激光器，輸出光的波長為O. 543微米，CXD的像素?cái)?shù)是1300 X 1340，像素大小為22. 5微米；所述衰減片衰減倍數(shù)為100倍；所述第一透鏡焦距300mm，第二透鏡焦距分為50mm，兩個(gè)透鏡的焦點(diǎn)重合， 兩透鏡按焦距的比例6 1壓縮光束，第一光闌和第二光闌分別放在第一透鏡和第二透鏡的焦點(diǎn)上用于消除光路的雜散光；所述樣品臺(tái)放在激光的腰斑處，樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)角度范圍是O度 180度；所述擋板為正方型，邊長3mm，設(shè)置于激光直射CXD圖像傳感器的路徑上用于擋住直射到CCD上的激光；所述CCD圖像傳感器收集的衍射信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
應(yīng)用上述激光相干衍射顯微成像裝置的方法，步驟是
第一步如圖1，部署一套激光相干衍射成像裝置，所述裝置沿光束前進(jìn)方向依次共軸排列有激光器I、衰減片2、第一透鏡3、第一光闌4、第二透鏡5、第二光闌6、樣品臺(tái)7、 及固定其的旋轉(zhuǎn)支架、擋板8和CXD圖像傳感器9，以及能實(shí)現(xiàn)CXD圖像傳感器左右、上下、 前后移動(dòng)的步進(jìn)架，和連接CCD圖像傳感器的計(jì)算機(jī)10 ;其中所述激光器為He-Ne激光器， 輸出光的波長為O. 543微米，CXD的像素?cái)?shù)是1300X 1340，像素大小為22. 5微米；
第二步壓縮、聚焦和凈化光束，方法如下
選擇衰減片，衰減倍數(shù)為100倍，衰減從激光器出射的激光，選擇第一透鏡的焦距為300mm和第二透鏡的焦距為50mm，按兩個(gè)透鏡的焦距的比例6 1壓縮光束，兩透鏡的焦點(diǎn)重合，光闌4放在第一透鏡3的焦點(diǎn)處，光闌6放在第二透鏡5的焦點(diǎn)處；衰減片和透鏡均用擦鏡紙擦干凈。
第三步放入樣品，采集衍射信號(hào)，方法如下
樣品臺(tái)放在激光的腰斑處，將樣品固定到樣品臺(tái)上，如圖2，樣品是微球硅膠排列成的矩形，長為91. 4微米，寬為89. 36微米；上下左右移動(dòng)樣品，用CXD找到衍射信號(hào)，CXD 圖像傳感器距離樣品5cm，選擇衍射信號(hào)的中間位置采集信號(hào)，曝光時(shí)間為6秒，曝光次數(shù) 1000次；然后調(diào)整兩個(gè)相互垂直的步進(jìn)架，使CXD圖像傳感器垂直光路移動(dòng)，移動(dòng)CXD圖像傳感器到衍射信號(hào)的左上角、左下角、右上角和右下角，分別采集這四個(gè)位置的高角度信號(hào)；然后調(diào)整沿光路放置的步進(jìn)架，使CCD圖像傳感器沿著光路遠(yuǎn)離樣品移動(dòng)，移動(dòng)后距離樣品的距離為分別為17cm和32cm，按照相同的曝光時(shí)間和曝光次數(shù)收集較低角度的衍射信號(hào);
第四步衍射信號(hào)均保存到計(jì)算機(jī)；將CCD圖像傳感器在5cm處收集到的中間、左上角、左下角、右上角和右下角的衍射信號(hào)在計(jì)算機(jī)中合成單張的衍射圖像，將CCD圖像傳感器沿光路移動(dòng)后收集到的17cm和32cm處衍射信號(hào)填補(bǔ)5cm處擋板擋住的衍射信號(hào)，如圖3，用迭代算法重建物體振幅和相位圖像，如圖4。
第五步每隔3度旋轉(zhuǎn)一次樣品，每旋轉(zhuǎn)一次，就重復(fù)第三、四步中的信號(hào)采集、振幅和相位重建的步驟，得到樣品間隔3度的振幅和相位圖像；
第六步將樣品間隔3度的振幅和相位圖像用層析成像的方法合成物體的三維圖像。
權(quán)利要求
1.一種激光相干衍射顯微成像裝置，其特征在于所述裝置沿光束前進(jìn)方向依次共軸排列有激光器(I)、衰減片(2)、第一透鏡(3)、第一光闌(4)、第二透鏡(5)、第二光闌(6)、樣品臺(tái)(7)及固定其的旋轉(zhuǎn)支架、擋板(8)和CXD圖像傳感器(9)，以及能實(shí)現(xiàn)CXD圖像傳感器左右、上下、前后移動(dòng)的步進(jìn)架，和連接CCD圖像傳感器的計(jì)算機(jī)(10);其中所述衰減片、第一透鏡、第一光闌、第二透鏡、第二光闌固定在光具座上，所述擋板固定在CCD圖像傳感器上，CXD圖像傳感器固定放置在兩個(gè)相互垂直的能左右、上下移動(dòng)的步進(jìn)架上，然后再固定在能沿光路方向前后移動(dòng)的步進(jìn)架上。
2.如權(quán)利要求I所述的激光相干衍射顯微成像裝置，其特征在于所述衰減片衰減倍數(shù)為10倍 1000倍；所述第一透鏡和第二透鏡的焦距分別為50mm 3000mm，兩個(gè)透鏡的焦點(diǎn)重合，兩透鏡按焦距的比例壓縮光束，第一光闌和第二光闌分別放在第一透鏡和第二透鏡的焦點(diǎn)上用于消除光路的雜散光；所述樣品臺(tái)放在激光的腰斑處，樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)角度范圍是O度 180度；所述擋板為正方型，邊長Imm 3mm，設(shè)置于激光直射CXD圖像傳感器的路徑上用于擋住直射到CCD圖像傳感器上的激光；所述CCD圖像傳感器收集的衍射信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
3.權(quán)利要求I所述激光相干衍射顯微成像裝置的應(yīng)用，步驟是 第一步部署一套激光相干衍射成像裝置，所述裝置沿光束前進(jìn)方向依次共軸排列有激光器(I)、衰減片(2)、第一透鏡(3)、第一光闌(4)、第二透鏡(5)、第二光闌(6)、樣品臺(tái)(7)及固定其的旋轉(zhuǎn)支架、擋板(8)和CXD圖像傳感器(9)，以及能實(shí)現(xiàn)CXD圖像傳感器左右、上下、前后移動(dòng)的步進(jìn)架，和連接CCD圖像傳感器的計(jì)算機(jī)(10)； 第二步壓縮、聚焦和凈化光束，方法如下 選擇衰減倍數(shù)為10倍 1000倍的衰減片；選擇焦距分別為50mm 3000mm的第一透鏡和第二透鏡，調(diào)整兩個(gè)透鏡的距離，使兩個(gè)透鏡的焦點(diǎn)重合；第一光闌放置在第一透鏡的焦點(diǎn)上，第二光闌放置在第二透鏡的焦點(diǎn)上，以消除光路的雜散光，得到凈化光束； 第三步放入樣品，采集衍射信號(hào)，方法如下 樣品臺(tái)放在激光的腰斑處，將樣品固定到樣品臺(tái)上；上下左右移動(dòng)樣品，用CCD圖像傳感器找到衍射信號(hào)，CXD圖像傳感器距離樣品Icm 5cm，選擇衍射信號(hào)的中間位置采集信號(hào)，曝光時(shí)間為I秒 8秒，曝光次數(shù)100次 1000次；然后調(diào)整兩個(gè)相互垂直的步進(jìn)架，使CXD圖像傳感器垂直光路移動(dòng)，移動(dòng)CXD圖像傳感器到衍射信號(hào)的左上角、左下角、右上角和右下角，分別采集幾個(gè)位置的高角度信號(hào)；然后調(diào)整沿光路方向放置的步進(jìn)架，使CXD圖像傳感器沿著光路遠(yuǎn)離樣品移動(dòng)，移動(dòng)到距離樣品的距離為Icm 100cm，按照相同的曝光時(shí)間和曝光次數(shù)收集較低角度的衍射信號(hào)； 第四步依據(jù)保存到計(jì)算機(jī)中的衍射信號(hào)，將CCD圖像傳感器在Icm 5cm處收集到的不同位置衍射信號(hào)在計(jì)算機(jī)中合成單張的衍射圖像，將CCD圖像傳感器沿光路移動(dòng)后收集到的低角度衍射信號(hào)用來填補(bǔ)Icm 5cm處擋板擋住的衍射信號(hào)，用迭代算法得出重建物體振幅和相位圖像。
第五步每隔I度 10度旋轉(zhuǎn)一次樣品，每旋轉(zhuǎn)一次，就重復(fù)第三、四步中的信號(hào)采集、振幅和相位重建的步驟，得到樣品間隔I度 10度的振幅和相位圖像； 第六步將樣品間隔I度 10度的振幅和相位圖像用層析成像的方法合成物體的三維圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光相干衍射顯微成像裝置及應(yīng)用，所述裝置沿光束前進(jìn)方向依次共軸排列有激光器、衰減片、第一透鏡、第一光闌、第二透鏡、第二光闌、樣品臺(tái)、擋板和CCD圖像傳感器，以及能實(shí)現(xiàn)CCD圖像傳感器左右、上下、前后移動(dòng)的步進(jìn)架，和連接CCD圖像傳感器的計(jì)算機(jī)。本發(fā)明利用透鏡組和衰減片壓縮光束，提高光通量，分辨率能提高到亞微米；利用CCD圖像傳感器移動(dòng)，分別采集高角度和低角度的衍射信號(hào)，能合成為單幅衍射圖樣；利用旋轉(zhuǎn)樣品的方法實(shí)現(xiàn)三維立體成像，并且能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)成像。本發(fā)明在不需要對樣品進(jìn)行接觸、切片、染色和熒光的條件下獲得三維立體實(shí)時(shí)圖像，對于分析微米尺寸樣品結(jié)構(gòu)、變化及形成過程具有重要應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01N21/45GK102981261SQ201210499730
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者江懷東, 張劍, 劉宏, 范家東 申請人:山東大學(xué)