单次曝光高数值孔径脉冲激光相干衍射成像装置及方法与流程

本发明属于激光相干衍射成像领域，尤其涉及一种单次曝光高数值孔径脉冲激光相干衍射成像装置及方法。

背景技术：

相干衍射成像利用先进光源，如同步辐射光源、高次谐波光源、x射线激光器、自由电子激光器和可见光激光器，结合相位恢复算法，将衍射图像反向计算为样品的结构图像。其优势在于成像样品不需要标定，可定量和分辨率较高。目前该成像方法已经实现了多种纳米材料和生物细胞的二维和三维成像。

三维成像对于理解材料和生物组织结构和功能的关系有重要的作用。对于电子显微镜，样品较厚时，通过切片获得单层图像，再组合成三维图像，样品较小时，则通过旋转样品获得三维图像；对于共聚焦显微镜，通过将光束聚焦在样品的不同深度，逐点扫描获得三维图像；对于自由电子激光器，则是将大量相同样品不同取向的图像组合成三维图像。

单次曝光的三维成像仍然是众多成像方法追求的共同目标，上述这些成像方法要获得单次曝光的三维成像还存在一定的困难。众所周知，电磁波通过散射样品时，远场的散射信号是散射势对ewald球上振幅的调制。当散射信号覆盖的角度较小时，平面ccd上探测到的信号可以近似为ewald球上的投影。要获得样品的三维结构，需要先测量得到傅里叶空间的三维结构，有两种方式可以实现对傅里叶空间的三维测量，一种是测量不同角度的ewald球，另外一种方式是测量不同能量的ewald球。在ct成像中可以对样品进行等角度或者等斜率的测量，需要几百或者几十个角度；最近发展起来的单取向的三维相干衍射成像则是测量不同能量的ewald球来对傅里叶空间进行扫描的。两种方式相比较，后者更有利于实现动态的三维成像。

在可见激光相干衍射成像实验中，因为高角度衍射信号反映样品的结构和性质，中央衍射光斑在图像重建中起到关键作用，通常直射光需要用挡板遮挡住，这会同时遮住一部分衍射信号，因此，如何同时获得高角度和中央衍射光斑，提高三维重建精度，是本领域技术人员目前需要迫切解决的技术问题。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种单次曝光高数值孔径的激光相干衍射成像装置及使用方法，所述装置采用组合反光平面镜反射高角度的衍射信号，用高灵敏的液氮冷却的ccd图像传感器记录；采用带中心孔的反光平面镜反射低角度的衍射信号，用普通ccd图像传感器记录，该装置可以通过单次曝光获得样品的高数值孔径衍射图像。由样品的角分辨衍射信号分析样品的三维结构和性质，在材料学和生物学中有重要的应用价值。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单次曝光高数值孔径脉冲激光相干衍射成像装置，沿光束前进方向依次共轴设置有脉冲激光器(1)、衰减片(2)、偏振镜(3)、第一透镜(4)、光阑(5)、样品台(6)、反光镜组(7)、带孔反光镜(8)、光束收集器(9)；沿反光镜组(7)的反射光束前进方向依次设置有第二透镜(10)液氮冷却ccd图像传感器(11)；带孔反射镜(8)的反射光束前进方向设置有普通ccd图像传感器(12)，所述液氮冷却ccd图像传感器(11)和普通ccd图像传感器(12)均与计算机(13)连接。

进一步地，所述反光镜组(7)、带孔反光镜(8)和两个ccd图像传感器(11、12)均设置在的步进架上，能够左右、上下、前后移动。

进一步地，所述反射镜组(7)由多个彼此分离的共面平面镜组成，光束透过反射镜组的间隙到达带孔反射镜(8)。

进一步地，光阑放在透镜焦点靠近光源的位置上。

进一步地，样品台放在激光的腰斑处。

进一步地，液氮冷却ccd的像素数是1300×1340，像素大小为20微米；普通ccd的像素数是656×492，像素大小为5.6微米。

根据本发明的另一目的，本发明还提供了一种单次曝光高数值孔径脉冲激光相干衍射成像装置的使用方法，包括以下步骤：

第一步：打开脉冲激光器，调整光路中各器件位置，使得脉冲激光通过光路；

第二步：将样品固定到样品台上，调整样品台位置，使脉冲激光直射样品；调整反光镜组(7)的位置，使衍射信号对称投影到液氮冷却ccd图像传感器(11)上；调整带孔反射镜(8)的位置，使普通ccd上出现中央衍射光斑；控制快门使得两台ccd图像传感器(11、12)同时曝光；

第三步：衍射信号均保存到计算机；计算机根据所述衍射信号，重建样品的三维图像；

第四步：打开样品喷射器，使大量相同样品进入光路，记录这些样品的衍射信号，将其合成样品的三维图像；

第五步：用脉冲激光器照射样品，记录不同时刻样品的衍射图像，重建样品的三维动态图像。

进一步地，所述第一步中调整光路中各器件位置包括：调整偏振镜(3)方向，使激光偏振面在竖直方向；调整反光镜组(7)中多个平面镜之间的距离，同时垂直光路方向调整反光镜组7使直射脉冲激光通过；垂直光路方向调整带孔反光镜8，使脉冲激光穿过圆孔；垂直光路方向调整光束收集器，使脉冲激光进入光束收集器。

进一步地，所述第二步中还调整衰减片的衰减倍数，使液氮冷却ccd图像传感器(11)上的衍射信号接近饱和。

进一步地，所述第三步中重建样品三维图像的方法为：将普通ccd图像传感器(12)收集到的低角度衍射信号用来填补液氮冷却ccd图像传感器(11)收集到的高角度衍射图像的中央衍射信号，将整张图像扭曲矫正后，用迭代算法得出重建物体平面振幅和相位图像，将衍射图像投影到ewald球上重建样品的三维图像。

本发明的有益效果

1、本发明所述单次曝光高数值孔径脉冲激光相干衍射成像装置，加入了偏振镜，提高了高角度衍射信号的在重建中的准确性；

2、本发明利用单个透镜和衰减片压缩光束，在保证光通量的同时简化了光路；

3、本发明利用反光镜组反射高角度衍射信号，用透镜和液氮冷却的ccd传感器记录衍射图像；用带孔的平面反光镜反射低角度衍射信号，用普通ccd图像传感器记录衍射信号，实现了高角度和低角度衍射信号的同时记录，用低角度衍射信号补入高角度衍射信号获得单次曝光高数值孔径的衍射图像，衍射图像经过扭曲矫正可以重建样品的平面图像，衍射图像投影在ewald球上可以重建样品的三维图像。

4、本发明利用样品喷射器使大量相同样品进入光路，可以记录下它们的衍射图像，利用数学算法重建样品的三维图像。用脉冲激光器照射样品，可以记录样品的三维动态图像。对于分析微米尺寸材料和动植物细胞的动态三维结构和性质具有重要应用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是一种单次曝光高数值孔径脉冲激光相干衍射成像装置示意图。

其中：脉冲激光器1、衰减片2、偏振镜3、透镜4、光阑5、样品台6、反光镜组7、带孔反光镜8，光束收集器9、透镜10、液氮冷却ccd图像传感器11、普通ccd图像传感器12、计算机13。

图2是相干衍射成像的一个样品，为微球硅胶排列的图形。

图3是根据实施例1和2的实验结果。

图4是利用过度取样和迭代算法重建的实物图像。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种单次曝光高数值孔径脉冲激光相干衍射成像装置，如图1所述。

沿光束前进方向依次共轴设置有脉冲激光器1、衰减片2、偏振镜3、透镜4、光阑5、样品台6、反光镜组7、带孔反光镜8、光束收集器9；沿反光镜组7的反射光束前进方向依次设置有透镜10液氮冷却ccd图像传感器11；带孔反射镜8的反射光束前进方向设置有普通ccd图像传感器12，所述液氮冷却ccd图像传感器11和普通ccd图像传感器12均与计算机13连接。

其中，所述反光镜组7和带孔反光镜8均设置在能够左右、上下、前后移动的步进架上；所述衰减片2、偏振镜3、光阑5、光束收集器9固定在光具座上，两个ccd分别固定放置在两个相互垂直的能左右、上下移动的步进架上，再固定在能沿光路方向前后移动的步进架上。

所述反射镜组7由多个彼此间隔一定距离的平面镜组成，使得光束能够透过反射镜组的间隙到达带孔反射镜8。优选地，所述反光镜组7由四块共面的平面镜组成，四块平面镜的距离可以调整。平面镜组可以沿光路方向调整到样品的距离；带孔反光镜，可以沿光路方向调整到反光平面镜组的距离。在反光平面镜组的一侧放置透镜10和液氮冷却的ccd图像传感器，二者都可以沿步进架调整其到反光平面镜的距离，在带孔的平面反光镜的一侧放置普通ccd，可以沿步进架调整其到反光平面镜的距离。

上述单次曝光高数值孔径脉冲激光相干衍射成像装置中：所述脉冲激光器为皮秒激光器，输出光的波长为0.532微米；所述衰减片衰减从激光器出射的激光，目的是ccd11的衍射信号不出现饱和，衰减倍数可选为50或100倍；透镜4焦距为500mm，用于压缩光束，透镜10焦距为300mm，汇聚高角度衍射光斑；光阑放在透镜焦点偏光源的位置上用于消除光路的杂散光，得到净化光束；所述平面反光镜组由四个平面反光镜组成，边长为2cm～4cm，优选2.5cm；所述带孔的平面反光镜是正方形平面反光镜，边长为2cm～4cm，优选3cm。样品台放在激光的腰斑处。液氮冷却ccd的像素数是1300×1340，像素大小为20微米；普通ccd的像素数是656×492，像素大小为5.6微米。

基于该成像装置，光束经过反光镜组7反射后传播进入透镜10，进而投影到液氮冷却ccd图像传感器11；光束经过带孔反射镜8反射后投影到普通ccd图像传感器12，液氮冷却ccd图像传感器11和普通ccd图像传感器12将收集的衍射信号发送至计算机13用以重建三维成像。

实施例二

根据实施例一中的装置，本实施例提供了该装置的使用方法。

一种单次曝光高数值孔径脉冲激光相干衍射成像装置的使用方法，步骤是：

第一步：打开脉冲激光器，用ccd采集信号，调整光路中各器件位置，使得脉冲激光通过光路；

具体地，调整偏光镜3方向，使激光偏振面在竖直方向；调整反光镜组7中四个平面镜之间的距离，同时垂直光路方向调整反光镜组7使直射脉冲激光通过；垂直光路方向调整带孔反光镜8，使脉冲激光穿过圆孔；垂直光路方向调整光束收集器，使脉冲激光进入光束收集器；

第二步：将样品固定到样品台上，调整样品台位置，使脉冲激光直射样品；调整衰减片的衰减倍数，使液氮冷却ccd上的衍射信号接近饱和；沿光路调整反光镜组7距离样品2cm～3cm，垂直光路方向调整平面反光镜组7，使衍射信号对称分布于四片平面镜上；调整平面镜，使得衍射信号对称分布在ccd11上，调整透镜到ccd的距离使其收集高角度衍射信号；沿光路调整带孔的平面镜到样品距离，使普通ccd上出现中央衍射光斑；控制快门使得两台ccd同时曝光；

第三步：衍射信号均保存到计算机；计算机根据所述衍射信号，重建样品的三维图像；

具体地，将普通ccd图像传感器12收集到的低角度衍射信号用来填补液氮冷却ccd图像传感器11收集到的高角度衍射图像的中央衍射信号，将整张图像扭曲矫正后，用迭代算法得出重建物体平面振幅和相位图像，将衍射图像投影到ewald球上重建样品的三维图像。

第四步：打开样品喷射器，使相同样品依次进入光路，记录这些样品的衍射信号，将其合成样品的三维图像；

第五步：用脉冲激光器照射样品，记录不同时刻样品的衍射图像，重建样品的三维动态图像。

本发明通过引入偏振镜提高高角度衍射信号的在重建中的准确性；利用单个透镜和衰减片压缩光束，在保证光通量的同时简化了光路；采用反光镜组和带孔反光镜反射光线，并分别由液氮冷却的ccd传感器和普通ccd图像传感器记录，实现了高角度和低角度衍射信号的同时记录，用低角度衍射信号补入高角度衍射信号获得单次曝光高数值孔径的衍射图像，提供了三维图像的重建精度，对于分析微米尺寸材料和动植物细胞的动态三维结构和性质具有重要应用价值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。