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原文传递一种用于活细胞成像的高分辨率全息显微镜及方法

专利名称：	一种用于活细胞成像的高分辨率全息显微镜及方法
摘要：	本发明公开了一种用于活细胞成像的高分辨率全息显微镜及方法，属于全息显微成像技术领域。在全息光路中，次级点光源经过活细胞样品时发生衍射的物光和未发生衍射的参考光产生干涉，形成同轴全息图，图像经高倍显微物镜放大后由CCD相机接收并存储于计算机中，利用计算机数值重建得到再现图像。本发明使用低倍显微物镜将平行光源转化为次级点光源结合记录过程中物光、参考光同向，充分利用了CCD相机的有限空间带宽，大大提高了全息显微镜系统的分辨率，使用三维微米级位移平台精确调节显微分辨率并且通过缩短记录距离接收到更多干涉外圈条纹，其中包括对重建图像起关键作用的样本高频信息，结合CCD相机前的高倍显微物镜，能够对活细胞样品实现非接触、无损伤、快速、定量的高分辨率全息显微成像。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	长春理工大学
发明人：	赵跇坤;王作斌;布莱斯;曹亮;董莉彤;王璐;曲英敏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-21T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-15T00:00:00+0800
申请号：	CN201910773602.3
公开号：	CN110455799A
代理机构：	北京科迪生专利代理有限责任公司
代理人：	安丽
分类号：	G01N21/84(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	130022吉林省长春市卫星路7089号
主权项：	1.一种用于活细胞成像的高分辨全息显微镜，其特征在于，包括：激光器(1)，衰减片(2)，第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、10×显微物镜(6)、微米级三维位移平台(7)、40×显微物镜(8)、CCD相机(9)和计算机(10)；激光器(1)，用于提供相干光源，光源经过活细胞样品时发生衍射的物光和未衍射的参考光产生干涉，形成全息图；衰减片(2)，用于对激光器功率进行连续调节，避免过高功率对活细胞样品造成损伤；第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)，用于对光线方向进行调节，经过三次反射令光线方向由水平转为竖直，实现全息显微镜的光路倒置，尤其适用于对活细胞样品的观察； 10×显微物镜(6)，用于对激光器平行光源聚焦成次级点光源(激光器经过第一个显微物镜后聚焦形成的点光源称为次级点光源)，当次级点光源照射到活细胞样品时，一部分发生衍射的光称为物光，另一部分未发生衍射的光称为参考光，二者发生干涉形成同轴全息图；三维微米级位移平台(7)，利用位移平台对搭载的活细胞样品进行三维微米级调节，通过改变记录距离，精确调节系统的分辨率和放大率； 40×显微物镜(8)，用于对全息图放大，结合可调的记录距离对系统放大率进一步调节； CCD相机(9)，用于对全息图进行数字记录，并将其存储于计算机(10)，利于计算机对其进行数值重建，得到再现图像。 2.根据权利要求1所述的一种用于活细胞成像的高分辨全息显微镜，其特征在于：所述激光器(1)的波长为532nm，相干长度为1m，可调功率范围为400-1500mW。 3.根据权利要求1所述的一种用于活细胞成像的高分辨全息显微镜，其特征在于：所述10×显微物镜(6)的NA＝0.25，显微物镜聚焦激光器平行光源，充分利用CCD相机的有限空间带宽，同时结合三维微米级位移平台(7)精确调节次级点光源到活细胞样品以及活细胞样品到CCD面间的距离，使全息显微镜系统达到了低于500nm的高分辨率优于一般的同轴全息显微镜。 4.根据权利要求1所述的一种用于活细胞成像的高分辨全息显微镜，其特征在于：所述三维微米级位移平台(7)在Z轴方向以每次10um的精度精确调节次级点光源与活细胞样品以及活细胞样品与CCD记录面间的距离，依据全息显微镜放大率公式以及全息显微镜横向放大率公式全息显微镜系统放大率和横向分辨率也实现了精确调节，同时获得了不同放大倍率和离焦面的全息图，其中L1为次级点光源到活细胞样品的距离，L2为活细胞样品到CCD接收面的距离，λ为激光器波长，W指CCD单个像素尺寸。 5.根据权利要求1所述的一种用于活细胞成像的高分辨全息显微镜，其特征在于：所述计算机(10)利用全息重建算法数值模拟菲涅尔衍射过程，获得再现的振幅图像和包裹相位图像，再利用质量导图引导的相位解包裹算法，将包裹相位解包裹，从而得到定量三维相位图像。 6.一种用于活细胞成像的高分辨全息显微方法，其特征在于，实现如下：利用激光器(1)提供相干光源，光源经过活细胞样品时发生衍射的部分称为物光，未衍射的部分称为参考光；为避免激光器过高功率对活细胞样品造成损伤，激光器(1)首先经过衰减片(2)对功率进行连续衰减调节，衰减后的平行相干光源经过三个与水平方向成45°夹角的第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)后，光线方向由水平转为竖直，利于对活细胞样品的观察；平行光源经10×显微物镜(6)聚焦为此级点光源，以降低干涉条纹的密度，充分利用CCD的有限空间带宽；次级点光源经过三维微米级位移平台(7)上的活细胞样品时，物光与参考光发生干涉，将物光波前的振幅和相位信息以干涉条纹强度的形式存储于全息图中；利用三维微米级位移平台(7)改变记录距离，精确调节系统的分辨率和放大率，结合40×显微物镜(8)对全息图实现进一步放大，放大后的图像被CCD相机(9)接收并存储于计算机(10)，利用计算机对全息图数值重建得到再现的振幅图像和解包裹的定量三维相位图像，实现了非接触、无损伤、快速、定量测量活细胞样品，可以实时、动态测量活细胞三维形貌和可视化监测活细胞，还可进一步应用于观察活细胞生长以及药效反应等研究。
所属类别：	发明专利