3d激光消融层析成像和光谱分析的制作方法
【专利说明】3D激光消融层析成像和光谱分析
[0001]政府支持声明
[0002]本发明在海军研宄局给予的第W00014-05-C-0241号授权下得到政府支持。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
[0003]本发明总体涉及成像方法和装置并涉及光谱分析方法和装置。
【背景技术】
[0004]共聚焦显微镜，是一项普遍实行的非破坏性技术，其可以使薄的焦平面进行成像而不受背景噪声干扰。这些图像可以堆叠以形成物体的三维模型，但是只限于亚毫米波段及半透明或透明物质。M.P.Echlin等所著的刊登在Adv.Mater.(先进材料期干IJ )23:2339-2342(2011)上的《一种用于多相材料的新飞秒基于激光的层析成像》一文中描述了另一种新开发的激光层析成像方法，这种方法使用朝向成像表面垂直定向的光束，并以已知速率去除材料。这种方法用于金属且对于具有变化的坚固度、密度、孔隙度及吸收系数的样本不奏效，因为贯穿深度会基于这些特性而变化。
[0005]其他成像手段包括显微切片机方法和X射线微层析成像。显微切片机(概念上类似于肉类切片机)被用于从嵌在白蜡基质内的样品切出薄的部分，薄的部分之后基质被转移到溶液浴器去除多余的基质，接着被转移到成像设备，被对齐、捕获并数字堆叠成3D模型。X射线层析成像是无破坏性的且使用虚拟切片，虚拟切片通过薄X射线光束获取并能够以计算方式重建。但是，这种方法不能得出组分数据或者颜色，而仅能产生材料的X射线吸收率的布局图(与密度轮廓相关)。
[0006]有许多对材料或者样品进行组分分析或分子分析的方法。例如，光谱技术包含激光诱导荧光(LIFs)、激光诱导击穿(LIBs)、高光谱成像和其他技术。但是，这些技术通常作为带有专用装置的独立工序来实行。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种方法，该方法使用激光片光或光束使样品成像或对样品进行分析。本发明只有在样品达到期望的量时才会增量消融且产生图像堆叠。
【附图说明】
[0008]图1是依照本发明的3D激光消融层析成像系统的一实施例的透视示意图；
[0009]图2是3D激光消融和光谱分析系统的透视示意图，示出本发明第一和第二可替换实施例的组成。
[0010]图3是类似于图2的透视示意图，但示出了至光谱仪的光路。
[0011]图4是样品的一部分的位置栅格和光谱映射图的图示。
[0012]图5示出了图4的栅格和映射图的堆叠和取得映射图的位置。
【具体实施方式】
[0013]本发明提供了一种用于层析成像的方法和装置。需要说明的是，术语“层析成像”通常是指通过判读物体内的类似X射线或者声波的“贯穿波”的相互作用来对样品进行重建。此处使用的术语“层析成像”更为宽泛，意思是“经由堆叠横截面的图像来对三维结构进行分析”，且还指的是对选中的样品进行重建以产生类似于传统层析成像技术所产生的数据。
[0014]本发明的实施例提供了一种高速、自动、高分辨率及不昂贵的层析成像技术。已经简化了作业系统用于在其他生物样品范围中对植物根部实行具体的切片实例及3D重建。但是，本发明对于其他类型的材料和样品的分析也很有用，且此处说明的实施例不意在限制本发明的保护范围。
[0015]根据一些实施例，使样品穿过激光“片”移动，这会消融该样品的截面。用成像系统使此截面成像。如下文将详述地，可以以连续工序或增量步骤来完成样品移动、激光消融及成像。
[0016]参见图1，在10处大致示出了层析成像成像系统的一实施例。该系统可用于分析样本或样品12，此处绘示的是一件植物材料。样品12在样品台14上被支承。假定该系统具有样品轴线A-A，且该样品大致沿此轴线安置。该样品不是必须具有轴线，也不是必须将该样品安置成其最长的尺寸沿着该轴线。
[0017]在绘示的实施例中，样品台移动使得该样品沿着该样品轴线移动。也可以提供例如垂直、边到边和或倾斜等多种方式的其他的移动。移动系统16用于使台14移动。此移动可以采取多种形式。当台14如所绘示，具有平坦表面时，该台可以采取任何有益于支承样品的形式，且可以被认为是样品支承件。该样品可以部分或完全嵌入诸如泡沫材料的支承基质。
[0018]激光“片”由激光系统提供。在此实施例中，短脉冲激光器(< 1(Γ6秒，例如纳秒、皮秒或飞秒激光器)18产生光束24，光束24穿过光束成形镜片20。光束导向器22迅速沿线扫描激光光束，以产生光“平面”，由此提供激光片光26。该光束导向器还可以采用光学元件的形式，该形式可以分裂或反射该激光光束以产生片状或类似片状的激光。这种光学元件可以是柱状镜片。如图所示，激光片光26垂直于样品轴线Α-Α。如此，随着该样品移进该激光片光，该激光片光消融该样品的“切片”。
[0019]由于其很高的峰值功率(辐照度，用W/cm2测量)，短脉冲激光器很适合本发明的激光系统。此很高的峰值功率和短脉冲持续时间会诱导该被冲击的目标材料以最小的热效应发生迅速的蒸发、或消融。这种特性使得此方法可以用在广泛的材料上，包括多孔或密度不一致的材料。
[0020]将成像系统30安置成与该轴线A-A对齐，以便系统可以随着样品消融使样品的截面成像。还可以根据该系统的安排，在消融前、后或消融过程中使该样品成像。在此实施例中，该成像系统是放大的电荷耦合器件(CCD)照相机系统，诸如带有透镜的数字单镜反光(SLR)照相机，该透镜聚焦在由片26界定的成像平面上。也可以使用其他类型的成像系统。
[0021]还提供了控制系统以控制成像设备、台移动机构和激光系统。在绘示的实施例中，控制系统采用通用计算机的形式，如32所示，该计算机被修改成用于执行该控制功能。
[0022]在此实例中，通过下列五个步骤实现对样品的重建:
[0023]1、通过镜子和聚焦镜片铰接，会被迅速扫描的脉冲激光光束沿线重复地扫，产生平面的“光片”。激光的脉冲重复率足够高以允许每个之后的脉冲在该光束沿线扫的时候能够与之前的脉冲重叠，确保光滑的表面。可替换地，如果该光束有足够的能量，该激光光束可以分裂成片。
[0024]2、其焦点与该激光片光在同一平面上的成像设备记录来自该激光片光对侧的样品的可见数据。
[0025]3、托住该样品的台将该样品移进该激光片光，或以增量形式或以连续形式。
[0026]4、随着该样品与该激光片光的相交，该样品面向照相机的表面被消融，露出下一层O
[0027]5、此激光片光可以具有双重用途一一提供机构，经由该机构，该表面既可以被消融也可以被照亮。这种暴露是有益的，其原因在于，该样品会仅在平面上被照亮，且无论多孔、均质或何种材料类型，都能均匀照亮。可替换地，该系统不限于将光束作为照亮源来使用，在一些实施例中，不期望出现自动荧光。在这种情形下，外部的光束可以用来激励样本。当尝试使特定的分子发荧光时，这会很必要。
[0028]此方法沿线迅速扫描或分裂激光光束以产生光“平面”。高倍率照相机具有设置至此平面的焦点。托住该物体使其进入工序的机械台缓慢地推动该样品使其穿过此焦点平面，期间该样品面向照相机的表面被连续消融。或者，可替换地，该样品能以离散的步骤移动穿过该焦点平面。该照相机用高清视频(HD video)或者仍是成像技术捕捉这个去除表面的过程。由于该激光光束发光且照亮的正好是该表面，所以成像的是该表面。这项特性使得之后的后处理和堆叠图像能用计算机程序通过最少的再编辑来完成。
[0029]系统实例:在一个实例中，用于园艺样品的系统使用以下组成件:
[0030]?具有30纳秒脉冲、355纳米波长的调Q第三谐波相干Avia激光器
[0031].GSI Lumonics 扫描仪
[0032]# Aerotech 台
[0033]?具有 65 毫米 MP-E 1- 5X 微距镜头的 Canon T3i DSLR
[0034]?来自国家卫生研宄院(Nat1nal Institute of Health)的软件 ImageJ
[0035]依照本发明的方法可以为能被激光消融的几乎所有小样品创造高分辨率3D模型。激光层析成像连续地去除表面的少量预定的增量。通过调整激光的参数，从极精细到硬得多的材料范围内的样品都能被处理。羽毛和硅片都已被证明在原型系统上可行。
[0036]本