CN1323041A - 有预放大的x射线全息显微镜 - Google Patents

Abstract

一种有预放大的X射线全息显微镜,包括置于真空外壳内,有从X射线源发射的X射线经过会聚波带片、针孔光阑和置于会聚波带片焦点处的待测样品。经过待测样品的X射线为物光与未经过待测样品的参考光形成干涉场。在干涉场与探测元件之间置有波带环数N>100的微波带片。探测元件的输出连接到计算机上。操作方便,比在先技术提高了信噪比,更具有准确性、真实性和及时性。尤其适用观测自然状态下的生物样品的三维超微细结构。

Description

有预放大的X射线全息显微镜

本发明是一种有预放大的X射线全息显微镜，主要用于观测自然状态下的生物样品的三维超微细结构。

用于观测生物样品的三维超微细结构的全息显微镜主要有两类：光学全息显微镜和X射线全息显微镜。光学全息显微镜有预放大、后放大和全息放大三种结构。由于受相干X射线源及光学元件的限制，X射线全息显微镜目前只有两种结构方式记录全息图，即无透镜傅立叶变换全息和盖柏同轴全息。

1．光学全息显微镜(参见光学技术手册，上册，机械工业出版社，北京，1994年8月，P326-328)

1.1预放大光学全息显微镜，如图1所示。主要由光源1、棱镜分束器2、反光镜3、聚光镜4、待测样品5、物镜6、全息干板7、目镜8组成。光源1经棱镜分束器2分成两束光，一束为物光Wb，一束为参考光Cb。待测样品5通过物镜6放大后成一个实像，用平行光作参考光记录放大的像。用原参考光照明再现，通过目镜8进行观察。

1.2后放大光学全息显微镜，如图2所示。主要由光源1、棱镜分束器2、反光镜3、待测样品5、全息干板7、显微镜9组成。先用一般的方法记录待测样品的全息图，用与参考光共轭的光波照明再现待测样品的实像，然后用普通显微镜进行观察。

1.3全息放大的光学全息显微镜，有三种途径使再现像放大：a)放大全息图；b)短波长记录，长波长再现；c)适当地选择参考光和照明光波面的曲率半径。

2．X射线全息显微镜

2.1无透镜傅立叶变换X射线全息显微镜。图3是布鲁克海文实验室(Brookhaven Lab)提供的用电荷耦合器(简称CCD)记录X射线无透镜傅立叶变换全息图的光路(参见Science,1992,256:1009-1012)。单色X射线源12出射相干X射线束经会聚波带片13，其零级波用来照明待测样品5，其一级衍射波聚焦产生参考点源，待测样品5与参考点源在同一平面上。在此平面上放置一针孔光阑14，起滤波作用。物束Wb与参考束Cb相遇产生干涉条纹，被涂有荧光粉的X射线波段的CCD16记录。记录在CCD16上的数据经A/D转换后直接输入计算机进行数字重现。在CCD16前放置一光阑15，阻止零级光直接辐照到CCD16上。

2.2盖柏同轴X射线全息显微镜(参见J.Opt.Soc.Am.(A),1990,7(10):1847-1861)。图4是盖柏同轴X射线全息图的记录光路示意图，该记录结构方式简单易行，不需要任何光学元件，只需要一个合适的光源及记录介质，也不需要对光路进行精细调整。X射线源17经会聚波带片13聚焦后再通过针孔光阑14进行滤波得到准单色的X射线，其中一部分用来提供对待测样品5的照明，未经待测样品5扰动的另一部分用来作参考束。物束与参考束在同一轴线上。用光刻胶(PMMA)18即聚甲基丙烯酸甲酯，作为记录介质记录全息图，然后用高分辨率的透射电子显微镜或原子力显微镜对全息图进行读出放大，再用微密度计进行数字化输入到计算机进行数字重现。

上述各种全息显微镜主要存在的缺点是：

1．光学全息显微镜因其所采用的照明光源是可见光波段，波长较长，故其分辨率比X射线全息显微镜低。且可见光的穿透深度较X射线小，故光学全息显微镜只能给出待测样品表面及其表面附近的结构信息，并不能给出待测样品内部的结构信息。此外，用光学全息显微镜来观测生物样品的三维超微细结构，需要对待测样品进行脱水，染色，固定的处理过程来提高成像的对比度，这必将破坏待测样品原有的、真实的结构信息。

2．X射线全息显微镜因其所采用的照明光源是X射线波段，波长很短，穿透深度很大，故比光学全息显微镜更有优势进行生物样品的三维超微细结构的观测。此外，最重要的一点是，水窗波段的X射线(2.3nm-4.4nm)对蛋白质和水的吸收相差将近一个量级，因而可对生物样品形成天然对比度增强机制。故X射线全息显微镜不需要对生物样品进行脱水，染色，固定的处理过程来提高成像的对比度，避免了对自然状态下的生物样品结构信息的破坏。故X射线全息显微镜更适合于用来观测自然状态下生物样品的三维超微结构。但是，在上述的X射线全息显微镜却存在着不少缺点。

2.1无透镜傅立叶变换X射线全息显微镜虽然对记录介质的分辨率要求低，但是却对产生参考点源的菲涅耳波带片要求很高。因为菲涅耳波带片外围环带的空间频率将决定X射线无透镜傅立叶变换全息图的分辨率。而制作高分辨率的菲涅耳波带片是少不了高分辨率的记录介质的。所以制作这种全息显微镜是难以实现的。

2.2盖柏同轴X射线全息显微镜虽然具有光路简单，不需任何光学元件，也不需精细调整光路的优点，但是它有一个最大的缺点，即对记录介质即探测元件的分辨率要求很高。因为要获得较高的全息成像分辨率，则记录介质需要记录下十分精细的高级次干涉条纹。对于光刻胶的记录介质提高分辨率就需要增加曝光量。而曝光时间的增加却极易导致记录介质被电子束损伤。此外，由于记录在光刻胶上的全息干涉条纹的间距太小，需经高分辨率的后续设备如透射电子显微镜或原子力显微镜的读出放大，转录于胶片上，再用微密度计将胶片上的图像进行数字化转换为数据文件，才能输入到计算机进行数字重现，这样全息图经过多次加工、放大、洗印、数字化处理过程，引入了很大的噪声，降低了信噪比和成像质量。因此盖柏同轴X射线全息显微镜是很难获得高分辨率的。

本发明的目的：为克服上述所有缺点，为观测自然状态下的生物待测样品5的三维超微细结构提供一种新的显微镜，即有预放大的X射线全息显微镜。它将从根本上克服在先技术中盖柏同轴X射线全息显微镜的所有缺点，对探测元件即记录介质分辨率要求很低，可直接用低分辨率的探测元件作为记录介质，将突破成像分辨率受记录介质最大分辨率限制的局限，可大幅度地提高成像分辨率。

本发明的有预放大的X射线全息显微镜，包括置于真空外壳21内，有从X射线源17发射的X射线经过会聚波带片13、针孔光阑14和置于会聚波带片13焦点O处的待测样品5。X射线经过待测样品5后，分成两束，一束是通过待测样品5的为物束，另一束未通过待测样品5的为参考束，物束与参考束相遇形成干涉场A，由干涉场A发射的干涉X射线经过微波带片19达到探测元件16。也就是说在干涉场A与探测元件16之间置有微波带片19。探测元件16的输出连接到计算机20上。如图5所示。

所说的微波带片19的波带环数N＞100。微波带片19的成像符合单色透镜成像公式： $\frac{1}{f}=\frac{1}{u}+\frac{1}{v}$ ，其中f为微波带片19的焦距，u为物距，此物距是微波带片19到上述干涉场A之间的距离，v为像距。

所说的探测元件16是电荷耦合器，通常简称为CCD。

上述本发明的显微镜结构也可以说主要分成两部分：线性单色X射线源、全息图的记录及重现系统。线性单色X射线源包括X射线源17、会聚波带片13和针孔光阑14，其作用是根据会聚波带片13的色散作用和针孔光阑14的空间滤波作用。当针孔光阑14的针孔的孔径足够小时，可提供相干度较高的相干光束。会聚波带片13中心被金属阻挡，防止零级光直接辐照待测样品。全息图的记录及重现系统主要包括待测样品5、微波带片19、CCD的探测元件16、计算机20。微波带片19因其直径小而得名，又称物镜波带片，可作为成像物镜。利用它的效率较高的一级衍射对焦点附近的待测样品进行放大成像。该种微波带片是用电子束制版制作的，其分辨率由最外环波带宽度决定，而分辨率的高低会直接影响到波带片成像质量的好坏，目前最高的分辨率已达到20nm。含水的生物待测样品5被放置在氮化硅窗口内，该窗口将含水待测样品5与同步辐射X射线源的高真空环境隔开，使生物待测样品5保持在原始的自然状态下。由同步辐射X射线源17出射的多色X光经过会聚波带片13和针孔光阑14线性单色化后辐照到待测样品5上，通过待测样品5的X射线作为物束，另一部分未通过待测样品5的X射线作为参考束。当这两列射束相遇时形成干涉场A。该干涉场A的干涉条纹通过微波带片19放大成像B到记录介质的CCD16上经A/D转换，直接输入到计算机20进行数字重现。该全息显微镜成像系统除计算机20外，都置于真空外壳21里。

本发明的主要优点是：因为本发明中有微波带片19作为预放大，故本发明的显微镜不需要后续设备的读出放大，避免了在先技术中盖柏同轴全息显微镜需对全息图再经过多次加工、放大、洗印处理过程中人为引入的噪声，因此提高了信噪比；操作方便，同时可直接采用CCD探测元件16作为记录介质，其好处是CCD集记录、数字化于一体，避免了在先技术中盖柏同轴全息显微镜需要用扫描微密度计来对全息图进行数字化，因此，本发明省去了操作过程中的很多麻烦，而且避免了数字化过程引入的噪声。CCD探测到的信号输出到计算机进行数字重现，可对全息图进行各种预处理，如调整反差、平滑噪声等，以提高成像质量。此外，可采用特殊的算法(如迭代法、数字滤波法)对再现结果进行处理，消除同轴全息中的“孪生像”干扰噪声。本发明的显微镜较在先技术中无透镜傅立叶变换X射线全息显微镜而言，对会聚波带片13和微波带片19的分辨率要求较低；采用CCD记录、计算机数字重现可实现对生物待测样品5的X射线全息显微的在线观测，大大缩短重现时间，应用于现代医疗诊断中，使其更具有准确性、真实性、及时性。

附图说明：

图1为在先技术中预放大的光学全息显微镜的结构示意图。

图2为在先技术中后放大的光学全息显微镜的记录光路及重现光路示意图。

图3为在先技术中无透镜傅立叶变换X射线全息显微镜的结构光路示意图。

图4为在先技术中盖柏同轴X射线全息显微镜的结构光路示意图。

图5为本发明的有预放大的X射线全息显微镜的结构示意图。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的显微镜结构。

实施例：

本发明的有预放大的X射线全息显微镜如图5所示，主要包括两部分：

1．线性单色X射线源

它包括：X射线源17、会聚波带片13和针孔光阑14，其工作过程是根据会聚波带片13的焦距与波长成反比的性质将不同波长的X射线色散，用针孔光阑14进行滤波并减小光源线度，取出具有一定相干性的准单色光。会聚波带片13的中心波长为2.3nm，工作波段为1.97～2.78nm。会聚波带片13与X射线源17的距离为9890～10110mm，会聚波带片13与针孔光阑14的距离为710～490mm。改变会聚波带片13与针孔光阑14的距离，就可以选择合适的工作波长。会聚波带片13最外环直径为2.8mm，最外环宽度为0.465μm，环数N=1506，一级焦距为566mm。针孔光阑14的孔径为8μm、30μm和200μm。选择较小孔径的针孔光阑14，可以减小单色光的线宽，改善光束的相干性。例如，工作波长λ=23nm，针孔光阑14的针孔孔径d=8μm，会聚波带片13的半径ρ=1.4mm，线宽Δλ=λd/ρ=0.013nm，单色性为λ/Δλ=10³，则时间相干长度为L_c=λ²/Δλ=0.407μm。待测样品5距离针孔光阑14为R=700mm，则该处的相干范围为b=Rλ/d=201μm。由此可见，经过单色化后的X射线具有一定的相干性，适合进行全息成像。

2．记录和重现系统

由于本发明采用了有预放大的结构，干涉条纹间距可以通过微波带片19进行放大，因此可以大大降低对探测元件的记录介质分辨率的要求。采用CCD的探测元件16记录经A/D转换，可直接在计算机20上进行数字重现。微波带片19的直径D=80μm，最外环宽度δ=40nm，其分辨率为1.22δ=1.22×40=48.8nm。实施例中所用的X射线源17发射的X射线的波长λ=2.3nm，则微波带片的焦距f=D×δ/λ=1391μm。当物束与参考束相遇产生干涉场A。为了利用线性单色X射线源有限的时间相干性，记录到待测样品5的微小结构的衍射波，可视该干涉场A为定域，与待测样品5距离约为400μm。将该处的干涉场A看作成像物体，微波带片19看作成像物镜，本实施例中微波带片的波带环数N=500，因为微波带片19的波带环数N＞100，因此它的成像符合单色透镜成像公式 $\frac{1}{f}=\frac{1}{u}+\frac{1}{v}$ ，其中f是焦距，u是物距，v是像距。其中物距u是距待测样品5约400μm处的干涉场A与微波带片19的距离。当物距u=1392μm时，即待测样品5与微波带片19的距离为u+400=1392+400=1792μm时，由成像公式，可得像距v=1936mm，其放大倍数为 $\frac{v}{u}=\frac{1936\×{10}^3}{1392}=1002$ ，由此可知用微波带片19聚焦成像，可使干涉条纹放大到10³倍。设CCD的每个像素大小为24μm，即可分辨的物体间距为24μm，则可分辨的物体大小为48μm。又已知微波带片预放大的倍数为1002，则该X射线全息显微镜的分辨率为48μm/1002=24nm。此数值证明了采用微波带片19预放大的结构，可使干涉条纹的间距放大，大大降低对记录介质的分辨率要求，大幅度提高X射线全息显微镜的成像分辨率。

用本发明的有预放大的X射线全息显微镜，可以实现实时快速地观测自然状态下的生物样品的三维超微细结构，分辨率可达纳米量级，应用到现代医疗诊断中，使其更具有准确性、真实性、及时性。

Claims (2)

1．一种有预放大的X射线全息显微镜，包括置于真空外壳(21)内，有从X射线源(17)发射的X射线经过会聚波带片(13)、针孔光阑(14)和置于会聚波带片(13)焦点(O)处的待测样品(5)到达探测元件(16)，探测元件(16)的输出连接到计算机(20)上，其特征在于X射线通过待测样品(5)的一束为物束，未通过待测样品(5)的X射线为参考束，物束与参考束相遇形成干涉场(A)，在干涉场(A)与探测元件(16)之间置有波带环数N＞100的微波带片(19)。

2．根据权利要求1所述的有预放大的X射线全息显微镜，其特征在于所说的波带环数N＞100的微波带片(19)的成像符合单色透镜成像公式： $\frac{1}{f}=\frac{1}{u}+\frac{1}{v}$ ，其中f为微波带片(19)的焦距，u为物距一是微波带片(19)到经过待测样品(5)的物束与参考束形成的干涉场(A)之间的距离，v是像距。

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