專利名稱：一種激光相干衍射顯微成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光相干衍射顯微成像裝置。
背景技術(shù)：
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(chǎng)的波前是從物體出射光波的傅立葉變換，探測(cè)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(cè)定，包括納米晶體中缺陷和應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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)容本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型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CCD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CXD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。[0009]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)。本實(shí)用新型所述激光相干衍射顯微成像裝置的應(yīng)用: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1、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 ;選擇衰減片的衰減倍數(shù)10倍 1000倍；選擇兩個(gè)透鏡的焦距50mm 3000mm，兩透鏡按焦距的比例壓縮光束；將樣品固定到樣品臺(tái)上；選擇衍射信號(hào)的中間位置，用圖像傳感器采集信號(hào)；然后調(diào)整兩個(gè)相互垂直的步進(jìn)架，移動(dòng)CCD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)，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)；衍射信號(hào)均保存到計(jì)算機(jī)；將CCD圖像傳感器在收集到的衍射信號(hào)在計(jì)算機(jī)中合成單張的衍射圖像，用迭代算法就可以重建物體振幅和相位。然后旋轉(zhuǎn)樣品，每旋轉(zhuǎn)一次，就重復(fù)上述信號(hào)采集、振幅和相位重建的步驟，得到樣品的一組振幅和相位圖像；將樣品的一組振幅和相位圖像用層析成像的方法合成物體的三維圖像。本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型在不需要對(duì)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(duì)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1是本實(shí)用新型一種激光相干衍射顯微成像方法的示意圖。其中:激光器1、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1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
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(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)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。實(shí)施例1:如圖1，本實(shí)用新型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1、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CXD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，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0.543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1、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0.543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1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)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種激光相干衍射顯微成像裝置，所述裝置沿光束前進(jìn)方向依次共軸排列有激光器、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)。本實(shí)用新型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。
文檔編號(hào)G01N21/45GK202956532SQ201220645458
公開日2013年5月29日 申請(qǐng)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(qǐng)人:山東大學(xué)