CN102981261A - 一种激光相干衍射显微成像装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光相干衍射显微成像装置及应用，所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有激光器、衰减片、第一透镜、第一光阑、第二透镜、第二光阑、样品台、挡板和CCD图像传感器，以及能实现CCD图像传感器左右、上下、前后移动的步进架，和连接CCD图像传感器的计算机。本发明利用透镜组和衰减片压缩光束，提高光通量，分辨率能提高到亚微米；利用CCD图像传感器移动，分别采集高角度和低角度的衍射信号，能合成为单幅衍射图样；利用旋转样品的方法实现三维立体成像，并且能进行动态的实时成像。本发明在不需要对样品进行接触、切片、染色和荧光的条件下获得三维立体实时图像，对于分析微米尺寸样品结构、变化及形成过程具有重要应用价值。

Description

一种激光相干衍射显微成像装置及应用

技术领域

本发明涉及一种激光相干衍射显微成像装置及其在三维立体实时成像中的应用。

背景技术

相干衍射成像（coherence diffraction imaging,CDI）技术是最近十几年发展起来的一种新的成像技术，它使得光学衍射分析物质结构的方法从晶体扩展到非晶体，在物理、化学、生物、材料等学科都有重要的应用前景。

相干衍射的基本原理是平面光波经物体衍射后，远场的波前是从物体出射光波的傅立叶变换，探测器可以记录光强，却无法获得光波的相位信息，但是可以通过过度取样，迭代算法恢复光波的振幅和相位，从而重建物体的图像。它有三个重要的应用个方向：第一，非晶材料三维结构的测定，包括纳米晶体中缺陷和应力场的确定和非有序材料如纳米颗粒和生物材料的定量三维成像；第二，整个细胞的三维成像，主要致力于细胞内特殊多蛋白质复合体的定位；第三，采用极强的超短X射线脉冲对单个大蛋白质复合体成像的潜在可能性。

最新研究表明，通过单幅衍射图样也可以获得物体的三维结构。对于一个有限的物体的衍射图样，当在艾瓦尔球上足够大的范围内取样时，物体的三维的图像可以通过二维的衍射图样来确定。这种方法可以确定样品的三维结构，而不需要对样品进行旋转、扫描和切片。

相干衍射实验一般是在高质量的同步辐射光源上完成的，应用第三代同步辐射光源，其成像的分辨率可以达到几个纳米，相对同步辐射光源的吸收成像和同轴相衬实验来说分辨率高很多，随着第四代光源X射线自由电子激光的发展，相干衍射成像将得到更广泛的应用。

激光的相干衍射成像可见的报道不多，这些报道中都采用了透镜进行扩束的方法，样品大小为几个毫米，分辨率在十几个微米，光束的大小和光通量限制了样品的大小和图像的分辨率，不能对细胞等较小的样品进行三维立体的实时成像。

发明内容

本发明的目是提出一种通过透镜和衰减片压缩光束，实现微米尺度样品的激光相干衍射显微成像装置及其应用。

本发明所述的激光相干衍射显微成像装置，其特征在于：所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有激光器、衰减片、第一透镜、第一光阑、第二透镜、第二光阑、样品台及固定其的旋转支架、挡板和CCD图像传感器，以及能实现CCD图像传感器左右、上下、前后移动的步进架，和连接CCD图像传感器的计算机；其中所述衰减片、第一透镜、第一光阑、第二透镜、第二光阑固定在光具座上，所述挡板固定在CCD图像传感器上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的能左右、上下移动的步进架上，然后再固定在能沿光路方向前后移动的步进架上。

进一步的，上述激光相干衍射显微成像装置中：所述衰减片衰减倍数优选为10倍～1000倍；所述第一透镜和第二透镜的焦距分别优选为50mm～3000mm，两个透镜的焦点重合，两透镜按焦距的比例压缩光束，第一光阑和第二光阑分别放在第一透镜和第二透镜的焦点上用于消除光路的杂散光；所述样品台放在激光的腰斑处，样品台的旋转支架旋转角度范围是0度～180度；所述挡板为正方型，边长优选1mm～3mm，设置于激光直射CCD图像传感器的路径上用于挡住直射到CCD上的激光；所述CCD图像传感器收集的衍射信号传输到计算机。

本发明所述激光相干衍射显微成像装置的应用，步骤是：

第一步：部署一套激光相干衍射成像装置，所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有激光器1、衰减片2、第一透镜3、第一光阑4、第二透镜5、第二光阑6、样品台7、及固定其的旋转支架、挡板8和CCD图像传感器9，以及能实现CCD图像传感器左右、上下、前后移动的步进架，和连接CCD图像传感器的计算机10；

第二步：压缩、聚焦和净化光束，方法如下：

选择衰减倍数为10倍～1000倍的衰减片；选择焦距分别为50mm～3000mm的第一透镜和第二透镜，调整两个透镜的距离，使两个透镜的焦点重合；第一光阑放置在第一透镜的焦点上，第二光阑放置在第二透镜的焦点上，以消除光路的杂散光，得到净化光束；

第三步：放入样品，采集衍射信号，方法如下：

样品台放在激光的腰斑处，将样品固定到样品台上；上下左右移动样品，用CCD找到衍射信号，CCD图像传感器距离样品1cm～5cm，选择衍射信号的中间位置采集信号，曝光时间为1秒～8秒，曝光次数100次～1000次；然后调整两个相互垂直的步进架，使CCD图像传感器垂直光路移动,移动CCD图像传感器到衍射信号的左上角、左下角、右上角和右下角，分别采集几个位置的高角度信号；然后调整沿光路方向放置的步进架，使CCD图像传感器沿着光路远离样品移动，移动到距离样品的距离为1cm～100cm，按照相同的曝光时间和曝光次数收集较低角度的衍射信号；

第四步：依据保存到计算机中的衍射信号，将CCD图像传感器在1cm～5cm处收集到的不同位置衍射信号在计算机中合成单张的衍射图像，将CCD图像传感器沿光路移动后收集到的低角度衍射信号用来填补1cm～5cm处挡板挡住的衍射信号，用迭代算法得出重建物体振幅和相位图像。

第五步：每隔1度～10度旋转一次样品，每旋转一次，就重复第三、四步中的信号采集、振幅和相位重建的步骤，得到样品间隔1度～10度的振幅和相位图像；

第六步：将样品间隔1度～10度的振幅和相位图像用层析成像的方法合成物体的三维图像。

本发明的有益效果

本发明所述激光相干衍射成像装置利用透镜和衰减片压缩光束，有效的缩小了光束并提高了光通量，进而提高了成像的分辨率，可以实现微米尺度的样品的衍射信号采集，采集信号的CCD图像传感器可以在沿光路和垂直于光路的方向上进行移动，分别采集高角度和低角度的衍射信号，这些信号合成为单幅衍射图样，提高了傅立叶空间的范围和衍射图样的衬度，分辨率可以提高到亚微米，并且可以进行动态的实时成像。本发明在不需要对样品进行接触、切片、染色和荧光的条件下获得三维立体实时图像，对于分析微米尺寸样品结构、变化及形成过程具有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明一种激光相干衍射显微成像方法的示意图。

其中：激光器1、衰减片2、透镜3、光阑4、透镜5、光阑6、样品7、挡板8，CCD图像传感器9、计算机10。

图2是相干衍射成像的一个样品，为微球硅胶排列的矩形。

图3是实施例1的实验结果。

图4是利用过度取样和迭代算法重建的实物图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，如下所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1，本发明所述激光相干衍射显微成像装置沿光束前进方向依次共轴排列有激光器1、衰减片2、第一透镜3、第一光阑4、第二透镜5、第二光阑6、样品台7、及固定其的旋转支架、挡板8和CCD图像传感器9，以及能实现CCD图像传感器左右、上下、前后移动的步进架，和连接CCD图像传感器的计算机10；其中所述衰减片、第一透镜、第一光阑、第二透镜、第二光阑固定在光具座上，所述挡板固定在CCD图像传感器上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的能左右、上下移动的步进架上，再固定在能沿光路方向前后移动的步进架上。

进一步的，上述激光相干衍射显微成像装置中：所述激光器为He-Ne激光器，输出光的波长为0.543微米，CCD的像素数是1300×1340，像素大小为22.5微米；所述衰减片衰减倍数为100倍；所述第一透镜焦距300mm，第二透镜焦距分为50mm，两个透镜的焦点重合，两透镜按焦距的比例6：1压缩光束，第一光阑和第二光阑分别放在第一透镜和第二透镜的焦点上用于消除光路的杂散光；所述样品台放在激光的腰斑处，样品台的旋转支架旋转角度范围是0度～180度；所述挡板为正方型，边长3mm，设置于激光直射CCD图像传感器的路径上用于挡住直射到CCD上的激光；所述CCD图像传感器收集的衍射信号传输到计算机。

应用上述激光相干衍射显微成像装置的方法，步骤是：

第一步：如图1，部署一套激光相干衍射成像装置，所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有激光器1、衰减片2、第一透镜3、第一光阑4、第二透镜5、第二光阑6、样品台7、及固定其的旋转支架、挡板8和CCD图像传感器9，以及能实现CCD图像传感器左右、上下、前后移动的步进架，和连接CCD图像传感器的计算机10；其中所述激光器为He-Ne激光器，输出光的波长为0.543微米，CCD的像素数是1300×1340，像素大小为22.5微米；

第二步：压缩、聚焦和净化光束，方法如下：

选择衰减片，衰减倍数为100倍，衰减从激光器出射的激光，选择第一透镜的焦距为300mm和第二透镜的焦距为50mm，按两个透镜的焦距的比例6：1压缩光束，两透镜的焦点重合，光阑4放在第一透镜3的焦点处，光阑6放在第二透镜5的焦点处；衰减片和透镜均用擦镜纸擦干净。

第三步：放入样品，采集衍射信号，方法如下：

样品台放在激光的腰斑处，将样品固定到样品台上，如图2，样品是微球硅胶排列成的矩形，长为91.4微米，宽为89.36微米；上下左右移动样品，用CCD找到衍射信号，CCD图像传感器距离样品5cm,选择衍射信号的中间位置采集信号，曝光时间为6秒，曝光次数1000次；然后调整两个相互垂直的步进架，使CCD图像传感器垂直光路移动,移动CCD图像传感器到衍射信号的左上角、左下角、右上角和右下角，分别采集这四个位置的高角度信号；然后调整沿光路放置的步进架，使CCD图像传感器沿着光路远离样品移动，移动后距离样品的距离为分别为17cm和32cm，按照相同的曝光时间和曝光次数收集较低角度的衍射信号；

第四步：衍射信号均保存到计算机；将CCD图像传感器在5cm处收集到的中间、左上角、左下角、右上角和右下角的衍射信号在计算机中合成单张的衍射图像，将CCD图像传感器沿光路移动后收集到的17cm和32cm处衍射信号填补5cm处挡板挡住的衍射信号，如图3，用迭代算法重建物体振幅和相位图像，如图4。

第五步：每隔3度旋转一次样品，每旋转一次，就重复第三、四步中的信号采集、振幅和相位重建的步骤，得到样品间隔3度的振幅和相位图像；

第六步：将样品间隔3度的振幅和相位图像用层析成像的方法合成物体的三维图像。

Claims (3)

1.一种激光相干衍射显微成像装置，其特征在于：所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有激光器（1）、衰减片（2）、第一透镜（3）、第一光阑（4）、第二透镜（5）、第二光阑（6）、样品台（7）及固定其的旋转支架、挡板（8）和CCD图像传感器（9），以及能实现CCD图像传感器左右、上下、前后移动的步进架，和连接CCD图像传感器的计算机（10）；其中所述衰减片、第一透镜、第一光阑、第二透镜、第二光阑固定在光具座上，所述挡板固定在CCD图像传感器上，CCD图像传感器固定放置在两个相互垂直的能左右、上下移动的步进架上，然后再固定在能沿光路方向前后移动的步进架上。

2.如权利要求1所述的激光相干衍射显微成像装置，其特征在于：所述衰减片衰减倍数为10倍～1000倍；所述第一透镜和第二透镜的焦距分别为50mm～3000mm，两个透镜的焦点重合，两透镜按焦距的比例压缩光束，第一光阑和第二光阑分别放在第一透镜和第二透镜的焦点上用于消除光路的杂散光；所述样品台放在激光的腰斑处，样品台的旋转支架旋转角度范围是0度～180度；所述挡板为正方型，边长1mm～3mm，设置于激光直射CCD图像传感器的路径上用于挡住直射到CCD图像传感器上的激光；所述CCD图像传感器收集的衍射信号传输到计算机。

3.权利要求1所述激光相干衍射显微成像装置的应用，步骤是：

第一步：部署一套激光相干衍射成像装置，所述装置沿光束前进方向依次共轴排列有激光器（1）、衰减片（2）、第一透镜（3）、第一光阑（4）、第二透镜（5）、第二光阑（6）、样品台（7）及固定其的旋转支架、挡板（8）和CCD图像传感器（9），以及能实现CCD图像传感器左右、上下、前后移动的步进架，和连接CCD图像传感器的计算机（10）；

第二步：压缩、聚焦和净化光束，方法如下：

选择衰减倍数为10倍～1000倍的衰减片；选择焦距分别为50mm～3000mm的第一透镜和第二透镜，调整两个透镜的距离，使两个透镜的焦点重合；第一光阑放置在第一透镜的焦点上，第二光阑放置在第二透镜的焦点上，以消除光路的杂散光，得到净化光束；

第三步：放入样品，采集衍射信号，方法如下：

样品台放在激光的腰斑处，将样品固定到样品台上；上下左右移动样品，用CCD图像传感器找到衍射信号，CCD图像传感器距离样品1cm～5cm，选择衍射信号的中间位置采集信号，曝光时间为1秒～8秒，曝光次数100次～1000次；然后调整两个相互垂直的步进架，使CCD图像传感器垂直光路移动,移动CCD图像传感器到衍射信号的左上角、左下角、右上角和右下角，分别采集几个位置的高角度信号；然后调整沿光路方向放置的步进架，使CCD图像传感器沿着光路远离样品移动，移动到距离样品的距离为1cm～100cm，按照相同的曝光时间和曝光次数收集较低角度的衍射信号；

第四步：依据保存到计算机中的衍射信号，将CCD图像传感器在1cm～5cm处收集到的不同位置衍射信号在计算机中合成单张的衍射图像，将CCD图像传感器沿光路移动后收集到的低角度衍射信号用来填补1cm～5cm处挡板挡住的衍射信号，用迭代算法得出重建物体振幅和相位图像。

第五步：每隔1度～10度旋转一次样品，每旋转一次，就重复第三、四步中的信号采集、振幅和相位重建的步骤，得到样品间隔1度～10度的振幅和相位图像；

第六步：将样品间隔1度～10度的振幅和相位图像用层析成像的方法合成物体的三维图像。

Images