專利名稱：數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于數(shù)字全息顯微術領域，涉及一種數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置。
背景技術：
為了觀察生物組織、微生物組織和了解材料結(jié)構，人們發(fā)展了多種斷層成像技術，例如X射線計算機斷層掃描技術(X-CT)、核磁共振技術(MRI)以及光學相干斷層成像技術(OCT, Optical Coherent Tomography )等。其中OCT技術開始于二十世紀80年代中期，它是一種光學斷層成像技術，具有安全無損、非接觸、價格較低、實時成像等優(yōu)點，適合于探測各種生物組織；并具有分辨率比X-CT及MRI技術高幾十甚至上千倍的優(yōu)勢。但OCT技術自身也存在著缺陷，它測量的是樣品內(nèi)某個光程深度位置背向散射光信號，當采樣路徑上折射率分布不均勻時，就會出現(xiàn)深度位置上的畸變。此外，OCT是以測量反射和背向散射光強度為基礎的成像手段，對于相位型生物體和低散射樣品的成像存在對比度低的缺點。數(shù)字全息顯微術是數(shù)字全息術和顯微技術相結(jié)合的產(chǎn)物，可以精確地獲取物光波的相位分布，因而可以分析微小物體的表面三維形貌或相位型物體的相位信息。但是對于相位型樣品，數(shù)字全息顯微技術只能獲取某一角度的折射率積分投影。
發(fā)明內(nèi)容基于數(shù)字全息顯微成像技術和計算機斷層成像(CT)原理，本實用新型建立了一種高精度數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置。裝置基于樣品轉(zhuǎn)動，記錄下180度范圍的各個角度的數(shù)字顯微全息圖，利用數(shù)值再現(xiàn)獲取每個角度的相位圖，然后基于CT技術的濾波反向投影重建圖像原理，重建出樣品的斷層折射率分布圖像。和OCT技術相比，具有空間分辨率高(可達nm量級的分辨率，OCT的分辨率為μ m量級)，生物樣品穿透性強，對比度高，全場成像，自動聚焦等優(yōu)勢。數(shù)字全息顯微層析成像技術不僅在生物醫(yī)學領域，而且在微光學、光子晶體、材料分析等許多其它領域也具有重要的科學意義和應用價值。本實用新型的具體技術方案是:數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置，包括激光器、光纖輸出耦合器、光纖分束器、透鏡系統(tǒng)、C⑶相機、樣品臺和計算機，其特征在于所述斷層成像裝置包括與光纖輸出耦合器相連的光纖分束器，光纖分束器將激光分為參考光和物光波，透鏡系統(tǒng)包含參考光透鏡系統(tǒng)和物光波透鏡系統(tǒng)，參考光透鏡系統(tǒng)依次由光纖端頭夾持器、中性衰減器、準直透鏡和帶通光圓孔的遮光板組成，物光波透鏡系統(tǒng)依次由光纖端頭夾持器、中性衰減器、準直透鏡、帶通光圓孔的遮光板、樣品和顯微物鏡組成，參考光透鏡系統(tǒng)和物光波透鏡系統(tǒng)末端經(jīng)一個合束棱鏡合束后在CCD相機記錄面形成離軸全息圖，樣品臺轉(zhuǎn)動，CCD相機記錄樣品各個角度的全息圖并輸入計算機。所述樣品臺配設有一個用于固定和轉(zhuǎn)動樣品的樣品轉(zhuǎn)動裝置，該樣品轉(zhuǎn)動裝置包括一個360度精密轉(zhuǎn)動平臺及位于平臺中心的連接枝桿、連接枝桿上端的樣品夾持器。[0008]計算機控制所述樣品轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動步數(shù)，并控制樣品轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)動和CCD相機記錄的時序。本系統(tǒng)中顯微物鏡選用原則，數(shù)值孔徑必須足夠大，保證收集樣品盡可能多的頻譜信息，同時光路放大倍率必須保證將物光波的頻率信息壓縮到滿足CCD的采樣頻率，從而可以克服CCD記錄器件低分辨率的限制。

圖1是數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置的示意圖。圖2某一角度下的投影示意圖。其中:1、激光器；2、光纖輸出f禹合器；3、Γ2光纖分束器；4和8、光纖端頭加持器；5和9、中性衰減器；6和10、準直透鏡；7和11、帶小孔的遮光板；12、樣品；13、樣品夾持器；14、連接枝桿；15、精密轉(zhuǎn)動臺；16、控制器；17、合束棱鏡；18、CCD相機；19、計算機；20、顯微物鏡。
具體實施方式
圖1是數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置的示意圖。激光器I發(fā)出的激光經(jīng)光纖率禹合器2稱合輸入光纖并與Γ 2光纖分束器3相連,輸出的兩束光,一束用作參考光，一束照明樣品用作物光波。光纖分束器的兩個輸出端口用光纖夾持器4和8固定。夾持器4對光纖輸出端口進行固定并調(diào)整，使出射光束水平出射，中心光軸與合束棱鏡17光軸形成微小夾角。光纖端口輸出的光束是一個球面光波，經(jīng)準直透鏡6準直后形成平面光波，遮光板7擋住周圍雜散光，用做參考光波。同樣用夾持器8對另一光纖輸出端口固定并調(diào)整后，出射光束水平出射，中心光軸與合束棱鏡17光軸一致。光纖輸出的球面光束經(jīng)準直透鏡10準直后形成平面光波， 遮光板11擋住周圍雜散光。平面光波垂直照明樣品12，透過樣品的物光波經(jīng)顯微物鏡20顯微放大。物光波和參考光波經(jīng)合束棱鏡17合束，在CCD 18記錄面相遇干涉形成離軸全息圖。系統(tǒng)中的中性衰減器5和9進一步調(diào)整參考光合物光波的比例，獲取高信噪比的全息圖，樣品臺轉(zhuǎn)動，CCD記錄樣品各個角度的全息圖。樣品轉(zhuǎn)動裝置:一個360度精密轉(zhuǎn)動平臺15中心固定連接枝桿14，連接枝桿上端固定樣品夾持器13，用夾持器固定樣品。轉(zhuǎn)動平臺轉(zhuǎn)動，使樣品同步轉(zhuǎn)動。精密轉(zhuǎn)動平臺通過控制器16與電腦相連，通過控制軟件控制轉(zhuǎn)動步數(shù)和轉(zhuǎn)動時序。樣品轉(zhuǎn)動裝置的關鍵點是樣品中心必須置于轉(zhuǎn)動平臺的中心，否則會增加數(shù)值較正的復雜性。利用編寫的控制軟件，將轉(zhuǎn)動平臺和CCD相機自動控制。通過設置相機和轉(zhuǎn)動平臺的控制時序，并設置相機的曝光參數(shù)和轉(zhuǎn)動平臺的轉(zhuǎn)動步數(shù)，實現(xiàn)各個角度全息圖的自動記錄。此系統(tǒng)的另一特點是利用光纖實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化靈活化。激光器的位置可以隨意放置，光纖的兩個輸出端用夾持器固定，夾持器可調(diào)節(jié)光束輸出方向。系統(tǒng)中顯微物鏡選用原則，數(shù)值孔徑必須足夠大，保證收集樣品盡可能多的頻譜信息，同時光路放大倍率必須保證將物光波的頻率信息壓縮到滿足CCD的采樣頻率，從而可以克服CCD記錄器件低分辨率的限制。[0019]數(shù)字全息顯微折射率斷層成像技術實際就是利用濾波反投影重建技術將數(shù)字全息顯微成像獲得的波前相位信息包含的折射率積分數(shù)據(jù)逐一解出，以獲得樣品內(nèi)部折射率的三維分布，繼而獲取其他的三維信息。在每個角度下，記錄一幀離軸數(shù)字全息顯微全息圖，通過數(shù)值重建、相位解包裹、相位自動補償運算，獲得每個角度下的折射率積分投影。如圖2，圖中陰影區(qū)域代表待重建的原始圖像，待建的原始圖像被離散化為
個像素，組成包含#列的一維數(shù)組Dr7, &，…，，設投影射線總數(shù)(包括各個角度)為見則第i條射線的投影積分可以表示為:
權利要求1.數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置，包括激光器、光纖輸出耦合器、光纖分束器、透鏡系統(tǒng)、CCD相機、樣品臺和計算機，其特征在于所述斷層成像裝置包括與光纖輸出耦合器相連的光纖分束器，光纖分束器將激光分為參考光和物光波，透鏡系統(tǒng)包含參考光透鏡系統(tǒng)和物光波透鏡系統(tǒng)，參考光透鏡系統(tǒng)依次由光纖端頭夾持器、中性衰減器、準直透鏡和帶通光圓孔的遮光板組成，物光波透鏡系統(tǒng)依次由光纖端頭夾持器、中性衰減器、準直透鏡、帶通光圓孔的遮光板、樣品和顯微物鏡組成，參考光透鏡系統(tǒng)和物光波透鏡系統(tǒng)末端經(jīng)一個合束棱鏡合束后在CCD相機記錄面形成離軸全息圖，樣品臺轉(zhuǎn)動，CCD相機記錄樣品各個角度的全息圖并輸入計算機。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置，其特征在于所述樣品臺配設有一個用于固定和轉(zhuǎn)動樣品的樣品轉(zhuǎn)動裝置，該樣品轉(zhuǎn)動裝置包括一個360度精密轉(zhuǎn)動平臺及位于平臺中心的連接枝桿、連接枝桿上端的樣品夾持器。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置，其特征在于計算機控制所述樣品轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動步數(shù)，并控制樣品轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)動和CCD相機記錄的時序。
專利摘要本實用新型屬于數(shù)字全息顯微術領域，涉及一種數(shù)字全息顯微折射率斷層成像裝置。包括激光器、光纖輸出耦合器、光纖分束器、透鏡系統(tǒng)、CCD相機、樣品臺和計算機，其特征在于所述斷層成像裝置包括與光纖輸出耦合器相連的光纖分束器，光纖分束器將激光分為參考光和物光波，透鏡系統(tǒng)包含參考光透鏡系統(tǒng)和物光波透鏡系統(tǒng)，參考光透鏡系統(tǒng)和物光波透鏡系統(tǒng)末端經(jīng)一個合束棱鏡合束后在CCD相機記錄面形成離軸全息圖，樣品臺轉(zhuǎn)動，CCD相機記錄樣品各個角度的全息圖并輸入計算機。和OCT技術相比，具有空間分辨率高(可達nm量級的分辨率，OCT的分辨率為μm量級)，生物樣品穿透性強，對比度高，全場成像，自動聚焦等優(yōu)勢。
文檔編號G01N21/45GK203053862SQ20122071102
公開日2013年7月10日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權日2012年12月20日
發(fā)明者馬利紅, 王輝, 李勇, 蘇玲瓏, 吳瓊 申請人:浙江師范大學