專利名稱：透射型樣品相位顯微裝置和相位顯微方法
技術領域：
本發明涉及透射型樣品的成像及相位測量，特別是一種透射型樣品相位顯微裝置和相位顯微方法。
背景技術：
由于顯微鏡所獲的圖像往往是一個清晰的聚焦像和其它離焦像的組合，為了最大程度地利用顯微鏡的分辨能力，需要將樣品做成很薄的切片，但隨著樣品變薄，透光性有明 顯的增強，同時普通顯微鏡所觀測到的圖像的對比度將隨之降低，當樣品薄到一定程度以后，整個視場內將基本一片均勻，很難觀測到物體的細節結構。澤尼克相襯顯微鏡解決了相位物體的觀測問題并在很大程度上推動了相關科學的進步。雖然相襯顯微鏡解決了相位物體的觀測問題，但對于需要對相位進行精確測量的領域，相襯顯微成像技術則無能為力，因為所觀測到的圖像在數學上并不是真正的光場相位分布。目前真正能對相位物體進行精確相位成像的只有數字全息這種技術，但這種技術的缺點是零級光和共軛像的存在占有了重建像很大的視場，同時只能利用CCD帶寬的四分之一，雖然相移技術理論上可以解決這個問題，但其結構相當復雜，而且由于物光散射斑強度為零的地方很難利用相移技術來進行相位計算，而且往往容易產生嚴重的噪聲。相干衍射成像(Coherent Diffraction Imaging,簡稱為0)1)算法是一種直接從光場的散射斑強度中獲得樣品的位相信息的方法，是一種直接用迭代方法逐次逼近目標的‘重建’法，該方法1970年前后由Hoppe等人提出，后經Fienup等人的完善逐步發展起來(參見 J. R. Fienup. Phase retrieval algorithms a comparison [J] ,Appl. Opt. , 1982,21 (15) :2758 2769)。該方法是，在緊靠樣品的后表面放置一個帶孔的空間分布已知的遮光屏，用相干光源照射物體并使物體只有一小部分的光透過概念小孔被相隔一定距離處的(XD記錄。⑶I算法如下假設CXD所記錄的光強為I，則相應的重建過程為(a)首先給樣品一個任意的猜測值O(r)；(b)利用菲涅爾衍射計算其經過小孔到達CXD時的復振幅分布G(X)；(c)保持G(X)的位相不變，但用實際測量的光場I的平方根sqrt(I)振幅代替其幅值，得到一個更新后的G' (X);(d)再次利用菲涅爾衍射計算出G' (x)反向傳播回物體平面上的復振幅O' Cr);(e)令O' (r)在透光孔外的值被強制為零，然后重復步驟(b) (d)，重建出孔內部分物體的透射函數。⑶I算法具有結構簡單，理論上可以達到衍射極限的分辨率，但這種成像方法要求樣品是孤立物體，同時理論上它不能區別出物體自身和其自身的共軛以及自身與其它函數的卷積組合，對于稍微復雜的物體往往很難得到理想的重構像，極大地限制了其應用范圍。數字全息中常常面臨三像重疊問題，尤其在同軸全息中。產生的原因主要是探測元件CCD的空間分辨率的限制，物光和參考光的角度往往限制在2° -3°左右，通過全息圖進行再現的時候，再現的實像、共軛像和零級項往往會重疊在一起，并且零級項強度往往大于其他兩像的強度。因此在精確相位成像和測量方面，衍射成像方法(CDI)和數字全息方法目前都還面臨很多問題。

發明內容
本發明的目的是為解決上述現有技術的不足，提出一種透射型樣品相位顯微裝置 和相位顯微方法，該裝置和方法融合數字全息和衍射成像方法的技術優勢，避免了目前數字全息技術和CDI技術中的現有問題，去除零級光和共軛像，可以方便地對樣品進行相位成像。本發明的技術解決方案如下一種透射型樣品相位顯微裝置，特點在于該裝置由相干光源、分束器、第一反射鏡、第一擋板、第二擋板、第一空間濾波器、第一透鏡、待測樣品、小孔光闌、實像、棱鏡、探測器、計算機、成像透鏡組、第二空間濾波器、第二透鏡和第二反射鏡構成，上述元部件的位置關系如下相干光源發出的光經過分束器分成透射光束和反射光束，所述的透射光束經第二空間濾波器和第二透鏡變成平行光經所述的第二反射鏡反射后作為參考光，所述的反射光束經第一反射鏡、第一空間濾波器和第一透鏡后變成平行光作為照明光照射在透射型待測樣品上，經該透過待測樣品的物光經成像透鏡組在一定距離處成放大的實像，在該實像處用空間分布已知的小孔光闌在垂直于物光傳播方向的平面內進行掃描，經所述的小孔光闌掃描后的出射光沿同一光軸方向傳播并作為物光光波，該物光光波和參考光經過I禹合棱鏡耦合后沿相同方向傳播，并由探測器記錄光斑分布，所述的小孔光闌由計算機控制在垂直于物光光軸的平面(X，y)平面內進行逐行或者逐列掃描，所述的探測器記錄光斑分布輸入計算機進行存儲，第一擋板和第二擋板分別作為位于所述的透射光束和反射光束的光路的開關。利用上述透射型樣品相位顯微裝置的相位顯微方法，該方法包括下列步驟(I)數據記錄計算機控制小孔光闌對放大后的實像進行逐行掃描，在掃描過程中的第i行j列處，通過控制第一擋板和第二擋板用探測器記錄有照明光和參考光時的干涉圖樣的光強分布Hi, j ;僅有照明光時的衍射場分布Ii, j ;記錄一次僅有參考光時的光強分布R ;其中i為I a的正整數，j為I b的正整數，a，b分別表示小孔光闌掃描矩陣的總行數和總列數；所述的探測器記錄的所有數據存入所述的計算機；(2)相位顯微數據處理所述的計算機首先對物像復振幅提供一個隨機的猜測值guess作為物像復振幅分布obj的初始值，即認為初始物像復振幅分布obj = guess,并且guess = Errand (m, n) *exp (i*rand (m, η) * π )，其中Ε為振幅，rand(m, η)為產生m行η列的隨機數的函數，在計算機中以矩陣的形式存在，矩陣大小由探測器靶面分辨率、像素個數、小孔光闌的掃描次數及大小等因素決定，探測器矩陣表示為P行X q列，小孔光闌每次移動步長為1，并且由P行X q列的矩陣表示其透過率函數，透光部分為1，不透光部分為O，并且光闌的移動矩陣為a行Xb列，obj為m行Xn列,其中m = p+(a_l)*l,n = q+(b_l)*l,根據小孔光闌的掃描先后順序對所在位置處的通光部分對obj進行不斷更新，小孔光闌的透過率用只有O和I的屏函數cir表示，而使用相同的掃描小孔光闌，因此在所有位置處的屏函數cir相同，小孔光闌在掃描位置(i，j)處的obj更新步驟為(a)根據光波衍射原理計算物波透過小孔光闌在掃描位置(i，j)處的傳播過程首先需要對應小孔光闌(9)所在位置(i，j)處取obj的p行Xq列作為樣品實像
(10)出射波函數，即 obj 的 l+(i-l)*l 行到 p+(i-l)*l 行，l+(j_l)*l 列到 q+(j_l)*l 列，同時乘上小孔光闌(9)的透過率函數矩陣cir就是當前條件下的出射波函數(14)，表示為Objijj ;若樣品所在Z = O處(x,y)平面的出射光振幅分布為E(x,y,0),在Z = L即探測器
(12)處的復振幅分布為E (X，y, L)
權利要求
1.一種透射型樣品相位顯微裝置，特征在于該裝置由相干光源(I)、分束器(2)、第一反射鏡(3)、第一擋板(4)、第二擋板(5)、第一空間濾波器(6)、第一透鏡(7)、待測樣品(8)、小孔光闌(9)、實像(10)、耦合棱鏡(11)、探測器(12)、計算機(13)、成像透鏡組(17)、第二空間濾波器(18)、第二透鏡(19)和第二反射鏡(20)構成，上述元部件的位置關系如下 相干光源(I)發出的光經過分束器(2)分成透射光束和反射光束，所述的透射光束經第二空間濾波器(18)和第二透鏡(19)變成平行光經所述的第二反射鏡(20)反射后作為參考光(15)，所述的反射光束經第一反射鏡(3)、第一空間濾波器(6)和第一透鏡(7)后變成平行光作為照明光(16)照射在透射型待測樣品(8)上，經該透過待測樣品(8)的物光經成像透鏡組(17)在一定距離處成放大的實像(10)，在該實像(10)處用空間分布已知的小孔光闌(9)在垂直于物光傳播方向的平面內進行掃描，經所述的小孔光闌(9)掃描后的出射光沿同一光軸方向傳播并作為物光光波(14)，該物光光波(14)和參考光(15)經過耦合棱鏡(11)耦合后沿相同方向傳播，并由探測器(12)記錄光斑分布，所述的小孔光闌(9)由計算機(13)控制在垂直于物光光軸的平面(x，y)平面內進行逐行或者逐列掃描，所述的探測器(12)記錄光斑分布輸入計算機(13)進行存儲，第一擋板(4)和第二擋板(5)分別作為位于所述的透射光束和反射光束的光路的開關。
2.利用權利要求I所述的透射型樣品相位顯微裝置的相位顯微方法，特征在于該方法包括下列步驟 (1)數據記錄計算機(13)控制小孔光闌(9)對放大后的實像(10)進行逐行掃描，在掃描過程中的第i行j列處，通過控制第一擋板(4)和第二擋板(5)用探測器(12)記錄有照明光(16)和參考光(15)時的干涉圖樣的光強分布Hi,j ;僅有照明光(16)時的衍射場分布Ii, j ;記錄一次僅有參考光(15)時的光強分布R ;其中i為I a的正整數，j為I b的正整數，a, b分別表示小孔光闌(9)掃描矩陣的總行數和總列數；所述的探測器(12)記錄的所有數據存入所述的計算機(13)； (2)相位顯微數據處理 所述的計算機(13)首先對物像復振幅提供一個隨機的猜測值guess作為物像復振幅分布obj的初始值，即認為初始物像復振幅分布obj = guess,并且guess = E*rand(m,η)氺exp (i*rand(m, η) * π ), 其中E為振幅，rand(m，n)為產生m行n列的隨機數的函數，在計算機中以矩陣的形式存在，矩陣大小由探測器(12)靶面分辨率、像素個數、小孔光闌(9)的掃描次數及大小等因素決定，探測器矩陣表示為P行Xq列，小孔光闌(9)每次移動步長為I，并且由P行Xq列的矩陣表示其透過率函數，透光部分為1，不透光部分為0，并且光闌的移動矩陣為a行Xb列，obj為m行Xn列，其中m = p+(a-l)*l, n = q+(b-l)*l,根據小孔光闌(9)的掃描先后順序對所在位置處的通光部分對obj進行不斷更新，小孔光闌(9)的透過率用只有O和I的屏函數cir表示，而使用相同的掃描小孔光闌(9)，因此在所有位置處的屏函數cir相同，小孔光闌(9)在掃描位置(i，j)處的obj更新步驟為 (a)根據光波衍射原理計算物波透過小孔光闌(9)在掃描位置(i，j)處的傳播過程 首先需要對應小孔光闌(9)所在位置(i，j)處取obj的p行Xq列作為樣品實像(10)出射波函數，即obj的l+(i-l)*l行到p+(i-l)*l行，l+(j_l)*l列到q+(j_l)*l列，同時乘上小孔光闌(9)的透過率函數矩陣cir就是當前條件下的出射波函數(14)，表示為Obji,」；若樣品所在2 = 0處(1，7)平面的出射光振幅分布為E(X，y，0)，在Z = L即探測器(12)處的復振幅分布為E (X，y, L)
3.根據權利要求2所述的透射型樣品相位顯微方法，特征在于所述的精度函數SSE的計算方法如下 若CCD處記錄的物光光強分布由矩陣Ii, j表示，而相應的再現波函數傳播到CCD處的光強分布由矩陣Ei,」表示，則
全文摘要
一種透射型樣品相位顯微裝置和相位顯微方法，在同軸全息光路的基礎上，把透射型物體的放大后的實像用小孔掃描后作為物光，在一定距離外的探測器靶面上形成散射斑并和同方向的平面波干涉，分別記錄小孔在不同位置處時，散射斑單獨存在及其和參考光干涉所形成的光強分布，同時保證參考光不變并記錄一次參考光光強分布。通過計算機進行迭代運算的方式獲得遠大于探測器靶面尺寸的再現像(包括振幅和位相)，本發明產生的再現像不但沒有零級和共軛像的干擾，而且由于采用小孔掃描和預防大的方式，可以對遠大于探測器靶面尺寸的透射型樣品進行位相顯微成像，并且由于參考光的引入，相比通常的迭代算法具有更快的收斂速度。
文檔編號G02B21/00GK102645739SQ20121007474
公開日2012年8月22日 申請日期2012年3月20日 優先權日2012年3月20日
發明者劉誠, 朱健強, 潘興臣 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所