[发明专利]紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法

说明书

本发明涉及一种紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法，在保持相衬显微镜整体构造不变的前提下，相位板的设计不再使用传统商业相衬显微镜中相位板镀膜的方法，而是使用超表面结构，此结构由金属纳米棒和石英衬底组成，通过精准控制金属纳米棒的旋转角度，实现精准零频滤波的功能，从而实现相衬装置中相位板的设计。克服传统相衬显微镜的相位板设计在制作上工艺繁琐，选择的材料性能复杂，成品容易受潮发霉，需要特定的保护才能延长其使用寿命的问题。设计方法解决传统问题的同时提高了观察物体的精度与灵活性，降低了生产成本。在成像的滤波精度上有所提高，并且可以实现对偏振敏感的物体观察，有望取代传统的相位板滤波方法。

技术领域

本发明涉及一种光学仪器技术，特别涉及一种紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法。

背景技术

(1)相衬显微镜是近代显微技术的一大重要成就。它的产生，使得人类的视觉在光学显微镜下得到了新的拓展。相衬显微镜将物体相位信息转化为肉眼可见的强度信息，在各领域已得到了广泛的应用。相衬显微镜的核心是相衬法的应用，通过空间零频附近滤波，增大携带物体的像与背景的衬度，从而提高透明物体的可分辨率。

(2)传统商业显微镜例如相位板都是由镀膜等工艺制成，设计上灵活性低，在生产过程中曝光的不均匀性、材料受温度湿度潮解等都会影响其使用质量，造成不可预料的误差，工艺繁琐复杂，成品不易保存，需要特殊的技术支持才能延长其使用寿命，并且对偏振不敏感，无法用于观察偏振依赖型透明物。

(3)随着现代微纳加工技术的成熟，基于微纳结构的光学研究日益增多，对超表面结构的研究也越来越多，此技术的理论也越来越清晰。由单层亚波长等离激元共振器组成的超表面结构可以使对圆偏振光产生局部的相位突变，控制其波前变化(Lingling Huang,Xianzhong Chen,Holger Mühlenbernd,Guixin Li,Benfeng Bai,Qiaofeng Tan,GuofanJin,Thomas Zentgraf,and Shuang Zhang.Dispersionless Phase Discontinuities forControlling Light Propagation.[J]NANOLETTERS,2012,5750-5755)。这些亚波长等离激元共振器主要是一些特定材料的纳米棒，旋转纳米棒角度可以实现对圆偏振光的相位的精准控制，超表面结构不仅可用于调控光的相位，还可以改变光的幅值、偏振态等重要参量，具有一定的带宽范围，可同时对多波长光束进行调控，在设计和应用上也具有很大的灵活性。

发明内容

本发明是针对传统商业显微镜相位板设计上灵活性低、工艺繁琐复杂、使用寿命短、难以实现复杂的相位分布、生产误差大的问题，提出了一种紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法，利用超表面结构对圆偏振光的相位调控规律，设计出周期性的金属纳米棒超表面结构相位板。

本发明的技术方案为：一种紧凑型相衬显微镜中相位板设计方法，具体包括如下步骤：

1)根据相衬显微镜中焦平面上光斑的大小，即相位板位置上的光斑的大小，来确定相位板的总体圆面积大小；

2)确定相位板滤波范围：最佳的滤波范围如下：

其中，H(f_x,f_y)为空间频谱分布；f_x、f_y为空间频谱分布坐标，即相位板上的单个结构的中心坐标；j为相对透过的相位进行增加或减少π/2的相位，在3μm以内的透过光相对3μm之外的透过光有一个附加的相位，即相位调制，对零频处进行滤波；

3)偏振敏感型相位板加工参数的确定：整个超表面相位板上阵列排列相同的金属纳米棒结构，每个金属纳米棒结构包括SiO2衬底和金属纳米棒上下两部分，衬底部分为底面是正方形的长方体，金属纳米棒为长方体，金属纳米棒部分根据滤波范围进行设计；