专利名称：数字全息显微折射率断层成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于数字全息显微术领域，涉及一种数字全息显微折射率断层成像装置。
背景技术：
为了观察生物组织、微生物组织和了解材料结构，人们发展了多种断层成像技术，例如X射线计算机断层扫描技术(X-CT)、核磁共振技术(MRI)以及光学相干断层成像技术(OCT, Optical Coherent Tomography )等。其中OCT技术开始于二十世纪80年代中期，它是一种光学断层成像技术，具有安全无损、非接触、价格较低、实时成像等优点，适合于探测各种生物组织；并具有分辨率比X-CT及MRI技术高几十甚至上千倍的优势。但OCT技术自身也存在着缺陷，它测量的是样品内某个光程深度位置背向散射光信号，当采样路径上折射率分布不均匀时，就会出现深度位置上的畸变。此外，OCT是以测量反射和背向散射光强度为基础的成像手段，对于相位型生物体和低散射样品的成像存在对比度低的缺点。数字全息显微术是数字全息术和显微技术相结合的产物，可以精确地获取物光波的相位分布，因而可以分析微小物体的表面三维形貌或相位型物体的相位信息。但是对于相位型样品，数字全息显微技术只能获取某一角度的折射率积分投影。
发明内容基于数字全息显微成像技术和计算机断层成像(CT)原理，本实用新型建立了一种高精度数字全息显微折射率断层成像装置。装置基于样品转动，记录下180度范围的各个角度的数字显微全息图，利用数值再现获取每个角度的相位图，然后基于CT技术的滤波反向投影重建图像原理，重建出样品的断层折射率分布图像。和OCT技术相比，具有空间分辨率高(可达nm量级的分辨率，OCT的分辨率为μ m量级)，生物样品穿透性强，对比度高，全场成像，自动聚焦等优势。数字全息显微层析成像技术不仅在生物医学领域，而且在微光学、光子晶体、材料分析等许多其它领域也具有重要的科学意义和应用价值。本实用新型的具体技术方案是:数字全息显微折射率断层成像装置，包括激光器、光纤输出耦合器、光纤分束器、透镜系统、C⑶相机、样品台和计算机，其特征在于所述断层成像装置包括与光纤输出耦合器相连的光纤分束器，光纤分束器将激光分为参考光和物光波，透镜系统包含参考光透镜系统和物光波透镜系统，参考光透镜系统依次由光纤端头夹持器、中性衰减器、准直透镜和带通光圆孔的遮光板组成，物光波透镜系统依次由光纤端头夹持器、中性衰减器、准直透镜、带通光圆孔的遮光板、样品和显微物镜组成，参考光透镜系统和物光波透镜系统末端经一个合束棱镜合束后在CCD相机记录面形成离轴全息图，样品台转动，CCD相机记录样品各个角度的全息图并输入计算机。所述样品台配设有一个用于固定和转动样品的样品转动装置，该样品转动装置包括一个360度精密转动平台及位于平台中心的连接枝杆、连接枝杆上端的样品夹持器。[0008]计算机控制所述样品转动装置的转动步数，并控制样品转动装置转动和CCD相机记录的时序。本系统中显微物镜选用原则，数值孔径必须足够大，保证收集样品尽可能多的频谱信息，同时光路放大倍率必须保证将物光波的频率信息压缩到满足CCD的采样频率，从而可以克服CCD记录器件低分辨率的限制。
图1是数字全息显微折射率断层成像装置的示意图。图2某一角度下的投影示意图。其中:1、激光器；2、光纤输出f禹合器；3、Γ2光纤分束器；4和8、光纤端头加持器；5和9、中性衰减器；6和10、准直透镜；7和11、带小孔的遮光板；12、样品；13、样品夹持器；14、连接枝杆；15、精密转动台；16、控制器；17、合束棱镜；18、CCD相机；19、计算机；20、显微物镜。
具体实施方式
图1是数字全息显微折射率断层成像装置的示意图。激光器I发出的激光经光纤率禹合器2稱合输入光纤并与Γ 2光纤分束器3相连,输出的两束光,一束用作参考光，一束照明样品用作物光波。光纤分束器的两个输出端口用光纤夹持器4和8固定。夹持器4对光纤输出端口进行固定并调整，使出射光束水平出射，中心光轴与合束棱镜17光轴形成微小夹角。光纤端口输出的光束是一个球面光波，经准直透镜6准直后形成平面光波，遮光板7挡住周围杂散光，用做参考光波。同样用夹持器8对另一光纤输出端口固定并调整后，出射光束水平出射，中心光轴与合束棱镜17光轴一致。光纤输出的球面光束经准直透镜10准直后形成平面光波， 遮光板11挡住周围杂散光。平面光波垂直照明样品12，透过样品的物光波经显微物镜20显微放大。物光波和参考光波经合束棱镜17合束，在CCD 18记录面相遇干涉形成离轴全息图。系统中的中性衰减器5和9进一步调整参考光合物光波的比例，获取高信噪比的全息图，样品台转动，CCD记录样品各个角度的全息图。样品转动装置:一个360度精密转动平台15中心固定连接枝杆14，连接枝杆上端固定样品夹持器13，用夹持器固定样品。转动平台转动，使样品同步转动。精密转动平台通过控制器16与电脑相连，通过控制软件控制转动步数和转动时序。样品转动装置的关键点是样品中心必须置于转动平台的中心，否则会增加数值较正的复杂性。利用编写的控制软件，将转动平台和CCD相机自动控制。通过设置相机和转动平台的控制时序，并设置相机的曝光参数和转动平台的转动步数，实现各个角度全息图的自动记录。此系统的另一特点是利用光纤实现系统的小型化灵活化。激光器的位置可以随意放置，光纤的两个输出端用夹持器固定，夹持器可调节光束输出方向。系统中显微物镜选用原则，数值孔径必须足够大，保证收集样品尽可能多的频谱信息，同时光路放大倍率必须保证将物光波的频率信息压缩到满足CCD的采样频率，从而可以克服CCD记录器件低分辨率的限制。[0019]数字全息显微折射率断层成像技术实际就是利用滤波反投影重建技术将数字全息显微成像获得的波前相位信息包含的折射率积分数据逐一解出，以获得样品内部折射率的三维分布，继而获取其他的三维信息。在每个角度下，记录一帧离轴数字全息显微全息图，通过数值重建、相位解包裹、相位自动补偿运算，获得每个角度下的折射率积分投影。如图2，图中阴影区域代表待重建的原始图像，待建的原始图像被离散化为
个像素，组成包含#列的一维数组Dr7, &，…，，设投影射线总数(包括各个角度)为见则第i条射线的投影积分可以表示为:
权利要求1.数字全息显微折射率断层成像装置，包括激光器、光纤输出耦合器、光纤分束器、透镜系统、CCD相机、样品台和计算机，其特征在于所述断层成像装置包括与光纤输出耦合器相连的光纤分束器，光纤分束器将激光分为参考光和物光波，透镜系统包含参考光透镜系统和物光波透镜系统，参考光透镜系统依次由光纤端头夹持器、中性衰减器、准直透镜和带通光圆孔的遮光板组成，物光波透镜系统依次由光纤端头夹持器、中性衰减器、准直透镜、带通光圆孔的遮光板、样品和显微物镜组成，参考光透镜系统和物光波透镜系统末端经一个合束棱镜合束后在CCD相机记录面形成离轴全息图，样品台转动，CCD相机记录样品各个角度的全息图并输入计算机。
2.根据权利要求1所述的数字全息显微折射率断层成像装置，其特征在于所述样品台配设有一个用于固定和转动样品的样品转动装置，该样品转动装置包括一个360度精密转动平台及位于平台中心的连接枝杆、连接枝杆上端的样品夹持器。
3.根据权利要求1或2所述的数字全息显微折射率断层成像装置，其特征在于计算机控制所述样品转动装置的转动步数，并控制样品转动装置转动和CCD相机记录的时序。
专利摘要本实用新型属于数字全息显微术领域，涉及一种数字全息显微折射率断层成像装置。包括激光器、光纤输出耦合器、光纤分束器、透镜系统、CCD相机、样品台和计算机，其特征在于所述断层成像装置包括与光纤输出耦合器相连的光纤分束器，光纤分束器将激光分为参考光和物光波，透镜系统包含参考光透镜系统和物光波透镜系统，参考光透镜系统和物光波透镜系统末端经一个合束棱镜合束后在CCD相机记录面形成离轴全息图，样品台转动，CCD相机记录样品各个角度的全息图并输入计算机。和OCT技术相比，具有空间分辨率高(可达nm量级的分辨率，OCT的分辨率为μm量级)，生物样品穿透性强，对比度高，全场成像，自动聚焦等优势。
文档编号G01N21/45GK203053862SQ20122071102
公开日2013年7月10日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者马利红, 王辉, 李勇, 苏玲珑, 吴琼 申请人:浙江师范大学