[发明专利]基于泽尼克相衬成像的相移干涉显微装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量微小物体振幅和相位分布的显微装置。

背景技术

一般的显微镜只能观测微小物体的强度分布，对于透明物体的相位分布却无能为力。然而，被测物体的相位分布直接关联着被测物体的三维形貌，准确测量微小物体的相位分布具有重要意义。

目前用于测量微小物体相位分布的光学干涉测量技术主要包括以下几种：

一、光学干涉显微技术，它将光学干涉方法与显微镜相结合，为精确测量微小物体的相位分布提供了有力手段。现有的干涉显微镜将激光束在空间上分成两束，一束用来照射样品，经放大准直后作为物光；另一束作为参考光，最后再将两束光合并在一起，利用它们之间的干涉来测量微小物体的相位分布。瑞士Lunceetec公司开发出的数字全息显微镜DHM-1000就属于上述显微光路。该技术可以成功用于测量微小物体的相位分布，然而在测量的过程中物光和参考光在空间上历经了不同的路径，因而环境振动对测量结果影响较大，降低了装置的稳定性和可重复性。

二、相衬显微镜技术，该技术通过改变物光(含有被测样品信息)的零频分量的相位，从而使物光的相位信息变成了强度信息。相衬显微中物光的零频和高频分量分别充当了一般干涉中的参考光和物光的角色，它们经过了完全相同的光路，因此装置对环境的振动不敏感。例如美国麻省理工学院的Popeseu教授所提出一种相衬显微光路：采用平行光照明样品，通过延迟位于频谱中央的零频分量的相位，实现了对微小物体相位分布的定量测量。虽然该技术对环境振动不敏感，然而由于光路采用了完全相干的平行光照明，因此该技术具有相干噪声大、横向分辨率低等缺点。

荷兰科学家泽尼克提出另外一种相衬显微的方法：采用环状光来照明样品，同时采用环状相位掩模板来延迟零频分量的相位，从而使被测样品的相位信息变成强度信息。在相衬显微方法中所用的部分相干的环状光束照明大大降低了成像中的相干噪声，且提高了显微镜的横向分辨率。然而，由于干涉图样的强度和被测物体的相位不是线性转换关系，所以该方法的泽尼克相衬显微镜只能用于定性的观测。同时，环状相位板在延迟零频分量的同时也错误地延迟了分布在该环上的高频分量，因此产生的光晕效应严重影响了相衬成像的真实性。

发明内容

本发明将泽尼克相衬成像和相移技术相结合，提出了一种抗振动性好、横向分辨率高、相干噪声低的相移干涉显微装置，该装置可以用来对微小物体的相位进行测量，本发明解决了现有泽尼克相衬成像只能用于定性观察的局限性，同时克服了现有干涉显微方法对环境振动较敏感(稳定性差)、相干噪声高、横向分辨率低等技术问题。

本发明的技术解决方案为：

一种基于泽尼克相衬成像的相移干涉显微装置，其特征在于：包括沿光的入射方向依次设置的照明单元、显微放大单元以及相衬成像单元；

所述照明单元包括依次沿光路方向设置的扩束系统、多光束照明产生单元、缩束准直单元；

所述扩束系统包括沿光路方向依次设置的激光器1、光强控制器2和扩束单元3；

所述多光束照明产生单元包括沿光路依次设置的锥镜4、第一透镜5、旋转散射体6、第二透镜7以及振幅掩模板8；所述旋转散射体6设置在第一透镜5的后焦平面上；所述振幅掩模板8放置在旋转散射体6被第二透镜7成像后的像面上；

所述缩束准直单元沿光路依次包括第三透镜9和第一物镜10，所述振幅掩模板8设置在由第三透镜9和第一物镜10组成的透镜组合的前焦平面上；

所述显微放大单元沿光路依次包括第二物镜12和第四透镜13；

所述相衬成像单元沿光路依次包括相位掩模板14和CCD相机15，所述相位掩模板14设置在由第二物镜12和第四透镜13组成的透镜组合的后焦平面上；

所述被测样品11放置在第一物镜10和第二物镜12之间的焦面上，所述被测样品11和CCD相机15满足物像关系。

上述多光束照明产生单元还包括第五透镜(16)，所述第五透镜(16)设置在第二透镜7之后；第二透镜7和第五透镜16构成第一望远镜系统；所述旋转散射体6设置在第一望远镜系统的前焦平面，所述振幅掩模板8设置在第一望远镜系统后焦平面上；

上述缩束准直单元还包括第六透镜17，第五透镜16和第六透镜17构成第二望远镜系统，所述振幅掩模板8设置在第二望远镜系统中间焦平面上。

上述显微放大单元还包括第七透镜18，所述第七透镜18设置在第四透镜13之后。

上述相衬成像单元包括第八透镜19；所述第七透镜18和第八透镜19构成的第五望远镜系统，所述相位掩模板14设置在第五望远镜系统的中间焦平面上，所述CCD相机15设置在第八透镜19后焦面上。