本發(fā)明專利技術公開了一種基于數(shù)字全息的生物活體細胞動態(tài)三維顯微觀測裝置。該裝置采用數(shù)字全息顯微技術，對生物活體細胞實現(xiàn)非接觸、非破壞、無預處理的動態(tài)三維顯微觀測；通過光纖光路實現(xiàn)物光照明，物光光路部分采用立式結構，便于進行生物活體細胞觀測；參考光利用光束轉(zhuǎn)折器控制其與物光的夾角，實現(xiàn)離軸數(shù)字全息；采用無窮遠校正顯微物鏡對細胞進行預放大成像，同時利用中繼透鏡調(diào)整成像位置和物光的波前曲率，提高了觀測分辨率。該裝置通過平臺使得多個光學器件的布局結構緊湊、靈活、穩(wěn)定，并可用于長時間對生物活體細胞進行動態(tài)觀測。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及一種三維顯微觀測系統(tǒng)，更特別地說，是指一種基于數(shù)字全息的生物活體細胞動態(tài)三維顯微觀測系統(tǒng)。
技術介紹
目前生物細胞的三維顯微觀測技術方法主要包括原子力顯微技術、激光共聚焦顯微技術和數(shù)字全息顯微技術等。數(shù)字全息顯微依托于數(shù)字全息技術，利用CCD、CM0S等光電圖像傳感器以數(shù)字形式記錄全息圖，利用計算機模擬再現(xiàn)參考光照射全息圖的光學衍射過程重構物光，從而獲得待測物體的振幅和相位信息。為了將數(shù)字全息技術應用于活體細胞的三維顯微觀測，需要解決一些技術問題 (1)數(shù)字全息的成像分辨率受圖像傳感器(CXD、CM0S)性能指標的限制，細胞顯微觀測時一般采用顯微物鏡進行預放大處理，提高再現(xiàn)像的分辨率，但此時再現(xiàn)物光易受顯微物鏡引起的像差和畸變影響，必須進行相應的補償和矯正。(2)為提高信噪比和成像質(zhì)量，在記錄過程中需要對物光和參考光的光強比、入射夾角和波前曲率進行精確控制。(3)在長時間動態(tài)觀測中，活體細胞的培養(yǎng)一般需要在水平放置的培養(yǎng)皿中進行，必須合理設計光路，使其結構緊湊，穩(wěn)定性好，同時便于操作和調(diào)試。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的是提出一種基于數(shù)字全息的生物活體細胞動態(tài)三維顯微觀測裝置， 該裝置采用數(shù)字全息顯微技術，對生物活體細胞實現(xiàn)非接觸、非破壞、無預處理的動態(tài)三維顯微觀測；通過光纖光路實現(xiàn)物光照明，物光光路部分采用立式結構，便于進行生物活體細胞觀測；參考光利用光束轉(zhuǎn)折器控制其與物光的夾角，實現(xiàn)離軸數(shù)字全息；采用無窮遠校正顯微物鏡對細胞進行預放大成像，同時利用中繼透鏡調(diào)整成像位置和物光的波前曲率， 提高了觀測分辨率。該裝置通過平臺使得多個光學器件的布局結構緊湊、靈活、穩(wěn)定，并可用于長時間對生物活體細胞進行動態(tài)觀測。本專利技術的一種基于數(shù)字全息的生物活體細胞動態(tài)三維顯微觀測裝置，該裝置包括有激光光源、分光耦合單元、第一反射鏡、光束準直單元、第二反射鏡、光束轉(zhuǎn)折器、光纖準直鏡、活體細胞培養(yǎng)皿、顯微物鏡、中繼成像透鏡、消偏振分光棱鏡和CMOS相機；激光光源用于輸出中心波長為532nm的激光；分光耦合單元對激光進行分光處理，一路輸出空間光， 另一路耦合進入單模保偏光纖成為光纖光；空間光順次經(jīng)第一反射鏡、光束準直單元、第二反射鏡、光束轉(zhuǎn)折器后，作為平行參考光，入射進入消偏振分光棱鏡；光纖光經(jīng)光纖準直鏡， 形成平行照明光照射到待測活體細胞上；照明光經(jīng)過待測細胞透射，形成攜帶細胞三維信息的初始物光；物光經(jīng)顯微物鏡、中繼成像透鏡后，形成細胞的放大實像，作為預放大物光入射進入消偏振分光棱鏡；消偏振分光棱鏡對入射的平行參考光、預放大物光進行合光處理得到合并光束，該合并光束形成的全息圖被CMOS相機的光敏面捕獲。本專利技術的一種基于數(shù)字全息的生物活體細胞動態(tài)三維顯微觀測裝置，其具有如下優(yōu)點(1)采用數(shù)字全息顯微技術，可動態(tài)獲取生物活體細胞的三維信息，具有非接觸、 非破壞性，且無需預處理，對細胞的影響非常小。(2)采用無窮遠校正顯微物鏡對細胞進行預放大成像，獲取了較高頻率的信息，提高了觀測分辨率，同時利用中繼成像透鏡調(diào)整成像位置和物光波前曲率，有利于全息圖的記錄。(3)采用空間光-光纖光混合光路結構，物光照明通過光纖光路實現(xiàn)，采用立式結構，緊湊靈活；參考光采用空間光路，通過光束轉(zhuǎn)折器調(diào)整參考光入射方向，進而控制物光與參考光的夾角，操作方便，穩(wěn)定性好，可用于長時間觀測。附圖說明圖1是本專利技術生物活體細胞動態(tài)三維顯微觀測裝置的光路傳輸結構框圖。圖2是本專利技術分光耦合單元的光路傳輸結構圖。圖3是本專利技術物光光路的光路傳輸結構圖。圖4是本專利技術一種具體生物活體細胞動態(tài)三維顯微觀測裝置的實施方式結構圖。圖4A是本專利技術光束調(diào)整器結構圖。圖4B是本專利技術光束調(diào)整器中第一夾具的分解圖。圖4C是本專利技術第一夾具中三角鏡架的另一視角結構圖。具體實施例方式下面將結合附圖對本專利技術做進一步的詳細說明。參見圖1所示，本專利技術是一種基于數(shù)字全息的生物活體細胞動態(tài)三維顯微觀測裝置，該裝置包括有激光光源1、分光耦合單元2、第一反射鏡3、光束準直器4、第二反射鏡5、 光束轉(zhuǎn)折器6、光纖準直鏡7、活體細胞培養(yǎng)皿8、顯微物鏡9、中繼成像透鏡10、消偏振分光棱鏡11和CMOS相機12 ；其中，第一反射鏡3與第二反射鏡5的結構相同。(一)激光光源1在本專利技術中，光源1用于提供532nm的激光la，即光信息，該光源提供了中心波長為532nm的單縱模激光，可以選取可選用瑞典Cobolt公司生產(chǎn)的型號為Samba TM 532nm 的激光器。(二)分光耦合單元2參見圖2所示，分光耦合單元2包括有A半波片201、偏振分光棱鏡202、B半波片 203、可調(diào)衰減器204、光纖耦合器205和單模保偏光纖206。分光耦合單元2用于接收從激光光源1出射的中心波長為532nm的激光la，將其分為空間光加和光纖光2b輸出，并可調(diào)整改變兩路光(空間光加和光纖光2b)的光強比 (一般為 1 5 5 1)。激光Ia經(jīng)A半波片201后射入偏振分光棱鏡202上后被分為兩束偏振方向正交的反射光和透射光；其中反射光經(jīng)過B半波片203、可調(diào)衰減器204后成為空間光加，所述空間光加進入?yún)⒖脊饴罚涣硪宦吠干涔饨?jīng)光纖耦合器205耦合進入單模保偏光纖206中成為光纖光2b，所述光纖光2b進入物光光路。在本專利技術中，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整A半波片201和可調(diào)衰減器204，可以改變空間光加與光纖光2b之間的光強比(一般為1 5 5 1)，進而改變平行參考光6a和預放大物光IOa的光強比(一般為1 5 5 1)。旋轉(zhuǎn)調(diào)整B 半波片203，能夠保證空間光加與光纖光2b的偏振方向一致。在本專利技術中，A半波片201和B半波片203可選取北京大恒光電公司的GCL-060411 型石英零級半波片；偏振分光棱鏡202可以選取北京大恒光電公司的GCC-402102型偏振分光棱鏡；可調(diào)衰減器204可選取北京大恒光電公司的GC0-0701M型圓形可調(diào)衰減器；光纖耦合器205可選用美國OZ光學公司的HPUC-23AF-532-S-6. 2AS-2型光纖耦合器；單模保偏光纖206可選用美國OZ光學公司的QPMJ-3AF3S-532-3. 5/125-3-2-1型532nm單模保偏光纖。(三)第一反射鏡3在本專利技術中，第一反射鏡3和第二反射鏡5用于轉(zhuǎn)折光束，采用相同結構的反射鏡，可選取北京大恒光電公司的GCC-102104型反射鏡。(四)光束準直器4在本專利技術中，光束準直器4由空間濾波器和平凸透鏡構成；空間濾波器用于對接收到的反射光3a進行擴束處理后，準直為平行光如后照射至平凸透鏡上，經(jīng)平凸透鏡后形成平行光如輸出。用于對反射后的空間光加進行擴束，并將其準直為平行光出射。光束準直器4可以由北京大恒光電公司生產(chǎn)的GC0-01M型空間濾波器和GCL-010147型平凸透鏡組合而成。(五)光束轉(zhuǎn)折器6在本專利技術中，光束轉(zhuǎn)折器6用于改變參考光的入射角度，進而調(diào)整參考光與物光的夾角。參見圖4A所示，光束轉(zhuǎn)折器6包括有齒輪齒條平移臺、第一夾具63、第二夾具64、 第一支撐桿65、升降桿66、第二支撐桿67、第一平面反射鏡68和第二平面反射鏡69 ；其中， 第一夾具63與第二夾具64的結構相同；第一平面反射鏡68與第二平面反射鏡69的結構相同。第一夾具63安裝在第一支撐桿65本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
１．一種基于數(shù)字全息的生物活體細胞動態(tài)三維顯微觀測裝置，該裝置包括有激光光源（１）、活體細胞培養(yǎng)皿（８）、顯微物鏡（９）、消偏振分光棱鏡（１１）、ＣＭＯＳ相機（１２），其特征在于：還包括有分光耦合單元（２）、第一反射鏡（３）、光束準直器（４）、第二反射鏡（５）、光束轉(zhuǎn)折器（６）、光纖準直鏡（７）、中繼成像透鏡（１０）；其中，第一反射鏡（３）與第二反射鏡（５）的結構相同；該裝置的光路結構為：激光光源（１）出射的激光（１ａ）入射至分光耦合單元（２）中，經(jīng)分光耦合單元（２）的分光處理后輸出空間光（２ａ）和光纖光（２ｂ）；所述空間光（２ａ）順次經(jīng)第一反射鏡（３）、光束準直單元（４）、第二反射鏡（５）、光束轉(zhuǎn)折器（６）后輸出平行參考光（６ａ）入射進入消偏振分光棱鏡（１１）；所述光纖光（２ｂ）經(jīng)光纖準直鏡（７）后形成平行照明光（７ａ），所述平行照明光（７ａ）對活體細胞培養(yǎng)皿（８）中的被測目標進行照射，透射后形成包含細胞三維信息的初始物光（８ａ）；所述初始物光（８ａ）順次經(jīng)顯微物鏡（９）和中繼成像透鏡（１０）后形成細胞的放大實像，即預放大物光（１０ａ）入射進入消偏振分光棱鏡（１１）；所述消偏振分光棱鏡（１１）對入射的平行參考光（６ａ）和預放大物光（１０ａ）進行合光處理得到合并光束（１１ａ），該合并光束（１１ａ）被ＣＭＯＳ相機（１２）的光敏面捕獲，從而在ＣＭＯＳ相機（１２）中形成干涉全息圖。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：潘鋒，肖文，劉爍，伊小素，王璠璟，戎路，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發(fā)明
國別省市：11
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