3d激光消融層析成像和光譜分析的制作方法
【專利說明】3D激光消融層析成像和光譜分析
[0001]政府支持聲明
[0002]本發(fā)明在海軍研宄局給予的第W00014-05-C-0241號授權下得到政府支持。政府在本發(fā)明中具有某些權利。
技術領域
[0003]本發(fā)明總體涉及成像方法和裝置并涉及光譜分析方法和裝置。
【背景技術】
[0004]共聚焦顯微鏡，是一項普遍實行的非破壞性技術，其可以使薄的焦平面進行成像而不受背景噪聲干擾。這些圖像可以堆疊以形成物體的三維模型，但是只限于亞毫米波段及半透明或透明物質(zhì)。M.P.Echlin等所著的刊登在Adv.Mater.(先進材料期干IJ )23:2339-2342(2011)上的《一種用于多相材料的新飛秒基于激光的層析成像》一文中描述了另一種新開發(fā)的激光層析成像方法，這種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。這種方法用于金屬且對于具有變化的堅固度、密度、孔隙度及吸收系數(shù)的樣本不奏效，因為貫穿深度會基于這些特性而變化。
[0005]其他成像手段包括顯微切片機方法和X射線微層析成像。顯微切片機(概念上類似于肉類切片機)被用于從嵌在白蠟基質(zhì)內(nèi)的樣品切出薄的部分，薄的部分之后基質(zhì)被轉(zhuǎn)移到溶液浴器去除多余的基質(zhì)，接著被轉(zhuǎn)移到成像設備，被對齊、捕獲并數(shù)字堆疊成3D模型。X射線層析成像是無破壞性的且使用虛擬切片，虛擬切片通過薄X射線光束獲取并能夠以計算方式重建。但是，這種方法不能得出組分數(shù)據(jù)或者顏色，而僅能產(chǎn)生材料的X射線吸收率的布局圖(與密度輪廓相關)。
[0006]有許多對材料或者樣品進行組分分析或分子分析的方法。例如，光譜技術包含激光誘導熒光(LIFs)、激光誘導擊穿(LIBs)、高光譜成像和其他技術。但是，這些技術通常作為帶有專用裝置的獨立工序來實行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種方法，該方法使用激光片光或光束使樣品成像或?qū)悠愤M行分析。本發(fā)明只有在樣品達到期望的量時才會增量消融且產(chǎn)生圖像堆疊。
【附圖說明】
[0008]圖1是依照本發(fā)明的3D激光消融層析成像系統(tǒng)的一實施例的透視示意圖；
[0009]圖2是3D激光消融和光譜分析系統(tǒng)的透視示意圖，示出本發(fā)明第一和第二可替換實施例的組成。
[0010]圖3是類似于圖2的透視示意圖，但示出了至光譜儀的光路。
[0011]圖4是樣品的一部分的位置柵格和光譜映射圖的圖示。
[0012]圖5示出了圖4的柵格和映射圖的堆疊和取得映射圖的位置。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明提供了一種用于層析成像的方法和裝置。需要說明的是，術語“層析成像”通常是指通過判讀物體內(nèi)的類似X射線或者聲波的“貫穿波”的相互作用來對樣品進行重建。此處使用的術語“層析成像”更為寬泛，意思是“經(jīng)由堆疊橫截面的圖像來對三維結(jié)構(gòu)進行分析”，且還指的是對選中的樣品進行重建以產(chǎn)生類似于傳統(tǒng)層析成像技術所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
[0014]本發(fā)明的實施例提供了一種高速、自動、高分辨率及不昂貴的層析成像技術。已經(jīng)簡化了作業(yè)系統(tǒng)用于在其他生物樣品范圍中對植物根部實行具體的切片實例及3D重建。但是，本發(fā)明對于其他類型的材料和樣品的分析也很有用，且此處說明的實施例不意在限制本發(fā)明的保護范圍。
[0015]根據(jù)一些實施例，使樣品穿過激光“片”移動，這會消融該樣品的截面。用成像系統(tǒng)使此截面成像。如下文將詳述地，可以以連續(xù)工序或增量步驟來完成樣品移動、激光消融及成像。
[0016]參見圖1，在10處大致示出了層析成像成像系統(tǒng)的一實施例。該系統(tǒng)可用于分析樣本或樣品12，此處繪示的是一件植物材料。樣品12在樣品臺14上被支承。假定該系統(tǒng)具有樣品軸線A-A，且該樣品大致沿此軸線安置。該樣品不是必須具有軸線，也不是必須將該樣品安置成其最長的尺寸沿著該軸線。
[0017]在繪示的實施例中，樣品臺移動使得該樣品沿著該樣品軸線移動。也可以提供例如垂直、邊到邊和或傾斜等多種方式的其他的移動。移動系統(tǒng)16用于使臺14移動。此移動可以采取多種形式。當臺14如所繪示，具有平坦表面時，該臺可以采取任何有益于支承樣品的形式，且可以被認為是樣品支承件。該樣品可以部分或完全嵌入諸如泡沫材料的支承基質(zhì)。
[0018]激光“片”由激光系統(tǒng)提供。在此實施例中，短脈沖激光器(< 1(Γ6秒，例如納秒、皮秒或飛秒激光器)18產(chǎn)生光束24，光束24穿過光束成形鏡片20。光束導向器22迅速沿線掃描激光光束，以產(chǎn)生光“平面”，由此提供激光片光26。該光束導向器還可以采用光學元件的形式，該形式可以分裂或反射該激光光束以產(chǎn)生片狀或類似片狀的激光。這種光學元件可以是柱狀鏡片。如圖所示，激光片光26垂直于樣品軸線Α-Α。如此，隨著該樣品移進該激光片光，該激光片光消融該樣品的“切片”。
[0019]由于其很高的峰值功率(輻照度，用W/cm2測量)，短脈沖激光器很適合本發(fā)明的激光系統(tǒng)。此很高的峰值功率和短脈沖持續(xù)時間會誘導該被沖擊的目標材料以最小的熱效應發(fā)生迅速的蒸發(fā)、或消融。這種特性使得此方法可以用在廣泛的材料上，包括多孔或密度不一致的材料。
[0020]將成像系統(tǒng)30安置成與該軸線A-A對齊，以便系統(tǒng)可以隨著樣品消融使樣品的截面成像。還可以根據(jù)該系統(tǒng)的安排，在消融前、后或消融過程中使該樣品成像。在此實施例中，該成像系統(tǒng)是放大的電荷耦合器件(CCD)照相機系統(tǒng)，諸如帶有透鏡的數(shù)字單鏡反光(SLR)照相機，該透鏡聚焦在由片26界定的成像平面上。也可以使用其他類型的成像系統(tǒng)。
[0021]還提供了控制系統(tǒng)以控制成像設備、臺移動機構(gòu)和激光系統(tǒng)。在繪示的實施例中，控制系統(tǒng)采用通用計算機的形式，如32所示，該計算機被修改成用于執(zhí)行該控制功能。
[0022]在此實例中，通過下列五個步驟實現(xiàn)對樣品的重建:
[0023]1、通過鏡子和聚焦鏡片鉸接，會被迅速掃描的脈沖激光光束沿線重復地掃，產(chǎn)生平面的“光片”。激光的脈沖重復率足夠高以允許每個之后的脈沖在該光束沿線掃的時候能夠與之前的脈沖重疊，確保光滑的表面?？商鎿Q地，如果該光束有足夠的能量，該激光光束可以分裂成片。
[0024]2、其焦點與該激光片光在同一平面上的成像設備記錄來自該激光片光對側(cè)的樣品的可見數(shù)據(jù)。
[0025]3、托住該樣品的臺將該樣品移進該激光片光，或以增量形式或以連續(xù)形式。
[0026]4、隨著該樣品與該激光片光的相交，該樣品面向照相機的表面被消融，露出下一層O
[0027]5、此激光片光可以具有雙重用途一一提供機構(gòu)，經(jīng)由該機構(gòu)，該表面既可以被消融也可以被照亮。這種暴露是有益的，其原因在于，該樣品會僅在平面上被照亮，且無論多孔、均質(zhì)或何種材料類型，都能均勻照亮?？商鎿Q地，該系統(tǒng)不限于將光束作為照亮源來使用，在一些實施例中，不期望出現(xiàn)自動熒光。在這種情形下，外部的光束可以用來激勵樣本。當嘗試使特定的分子發(fā)熒光時，這會很必要。
[0028]此方法沿線迅速掃描或分裂激光光束以產(chǎn)生光“平面”。高倍率照相機具有設置至此平面的焦點。托住該物體使其進入工序的機械臺緩慢地推動該樣品使其穿過此焦點平面，期間該樣品面向照相機的表面被連續(xù)消融?；蛘?，可替換地，該樣品能以離散的步驟移動穿過該焦點平面。該照相機用高清視頻(HD video)或者仍是成像技術捕捉這個去除表面的過程。由于該激光光束發(fā)光且照亮的正好是該表面，所以成像的是該表面。這項特性使得之后的后處理和堆疊圖像能用計算機程序通過最少的再編輯來完成。
[0029]系統(tǒng)實例:在一個實例中，用于園藝樣品的系統(tǒng)使用以下組成件:
[0030]?具有30納秒脈沖、355納米波長的調(diào)Q第三諧波相干Avia激光器
[0031].GSI Lumonics 掃描儀
[0032]# Aerotech 臺
[0033]?具有 65 毫米 MP-E 1- 5X 微距鏡頭的 Canon T3i DSLR
[0034]?來自國家衛(wèi)生研宄院(Nat1nal Institute of Health)的軟件 ImageJ
[0035]依照本發(fā)明的方法可以為能被激光消融的幾乎所有小樣品創(chuàng)造高分辨率3D模型。激光層析成像連續(xù)地去除表面的少量預定的增量。通過調(diào)整激光的參數(shù)，從極精細到硬得多的材料范圍內(nèi)的樣品都能被處理。羽毛和硅片都已被證明在原型系統(tǒng)上可行。
[0036]本