[发明专利]一种激光相干衍射显微成像装置及应用

说明书

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：