一种透射型样品相位显微装置和相位显微方法，在同轴全息光路的基础上，把透射型物体的放大后的实像用小孔扫描后作为物光，在一定距离外的探测器靶面上形成散射斑并和同方向的平面波干涉，分别记录小孔在不同位置处时，散射斑单独存在及其和参考光干涉所形成的光强分布，同时保证参考光不变并记录一次参考光光强分布。通过计算机进行迭代运算的方式获得远大于探测器靶面尺寸的再现像(包括振幅和位相)，本发明专利技术产生的再现像不但没有零级和共轭像的干扰，而且由于采用小孔扫描和预防大的方式，可以对远大于探测器靶面尺寸的透射型样品进行位相显微成像，并且由于参考光的引入，相比通常的迭代算法具有更快的收敛速度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及透射型样品的成像及相位测量，特别是一种。
技术介绍
由于显微镜所获的图像往往是一个清晰的聚焦像和其它离焦像的组合，为了最大程度地利用显微镜的分辨能力，需要将样品做成很薄的切片，但随着样品变薄，透光性有明 显的增强，同时普通显微镜所观测到的图像的对比度将随之降低，当样品薄到一定程度以后，整个视场内将基本一片均匀，很难观测到物体的细节结构。泽尼克相衬显微镜解决了相位物体的观测问题并在很大程度上推动了相关科学的进步。虽然相衬显微镜解决了相位物体的观测问题，但对于需要对相位进行精确测量的领域，相衬显微成像技术则无能为力，因为所观测到的图像在数学上并不是真正的光场相位分布。目前真正能对相位物体进行精确相位成像的只有数字全息这种技术，但这种技术的缺点是零级光和共轭像的存在占有了重建像很大的视场，同时只能利用CCD带宽的四分之一，虽然相移技术理论上可以解决这个问题，但其结构相当复杂，而且由于物光散射斑强度为零的地方很难利用相移技术来进行相位计算，而且往往容易产生严重的噪声。相干衍射成像(Coherent Diffraction Imaging,简称为0)1)算法是一种直接从光场的散射斑强度中获得样品的位相信息的方法，是一种直接用迭代方法逐次逼近目标的‘重建’法，该方法1970年前后由Hoppe等人提出，后经Fienup等人的完善逐步发展起来(参见 J. R. Fienup. Phase retrieval algorithms a comparison [J] ,Appl. Opt. , 1982,21 (15) :2758 2769)。该方法是，在紧靠样品的后表面放置一个带孔的空间分布已知的遮光屏，用相干光源照射物体并使物体只有一小部分的光透过概念小孔被相隔一定距离处的(XD记录。⑶I算法如下假设CXD所记录的光强为I，则相应的重建过程为(a)首先给样品一个任意的猜测值O(r)；(b)利用菲涅尔衍射计算其经过小孔到达CXD时的复振幅分布G(X)；(c)保持G(X)的位相不变，但用实际测量的光场I的平方根sqrt(I)振幅代替其幅值，得到一个更新后的G' (X);(d)再次利用菲涅尔衍射计算出G' (x)反向传播回物体平面上的复振幅O' Cr);(e)令O' (r)在透光孔外的值被强制为零，然后重复步骤(b) (d)，重建出孔内部分物体的透射函数。⑶I算法具有结构简单，理论上可以达到衍射极限的分辨率，但这种成像方法要求样品是孤立物体，同时理论上它不能区别出物体自身和其自身的共轭以及自身与其它函数的卷积组合，对于稍微复杂的物体往往很难得到理想的重构像，极大地限制了其应用范围。数字全息中常常面临三像重叠问题，尤其在同轴全息中。产生的原因主要是探测元件CCD的空间分辨率的限制，物光和参考光的角度往往限制在2° -3°左右，通过全息图进行再现的时候，再现的实像、共轭像和零级项往往会重叠在一起，并且零级项强度往往大于其他两像的强度。因此在精确相位成像和测量方面，衍射成像方法(CDI)和数字全息方法目前都还面临很多问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述现有技术的不足，提出一种透射型样品相位显微装置 和相位显微方法，该装置和方法融合数字全息和衍射成像方法的技术优势，避免了目前数字全息技术和CDI技术中的现有问题，去除零级光和共轭像，可以方便地对样品进行相位成像。本专利技术的技术解决方案如下一种透射型样品相位显微装置，特点在于该装置由相干光源、分束器、第一反射镜、第一挡板、第二挡板、第一空间滤波器、第一透镜、待测样品、小孔光阑、实像、棱镜、探测器、计算机、成像透镜组、第二空间滤波器、第二透镜和第二反射镜构成，上述元部件的位置关系如下相干光源发出的光经过分束器分成透射光束和反射光束，所述的透射光束经第二空间滤波器和第二透镜变成平行光经所述的第二反射镜反射后作为参考光，所述的反射光束经第一反射镜、第一空间滤波器和第一透镜后变成平行光作为照明光照射在透射型待测样品上，经该透过待测样品的物光经成像透镜组在一定距离处成放大的实像，在该实像处用空间分布已知的小孔光阑在垂直于物光传播方向的平面内进行扫描，经所述的小孔光阑扫描后的出射光沿同一光轴方向传播并作为物光光波，该物光光波和参考光经过I禹合棱镜耦合后沿相同方向传播，并由探测器记录光斑分布，所述的小孔光阑由计算机控制在垂直于物光光轴的平面(X，y)平面内进行逐行或者逐列扫描，所述的探测器记录光斑分布输入计算机进行存储，第一挡板和第二挡板分别作为位于所述的透射光束和反射光束的光路的开关。利用上述透射型样品相位显微装置的相位显微方法，该方法包括下列步骤(I)数据记录计算机控制小孔光阑对放大后的实像进行逐行扫描，在扫描过程中的第i行j列处，通过控制第一挡板和第二挡板用探测器记录有照明光和参考光时的干涉图样的光强分布Hi, j ;仅有照明光时的衍射场分布Ii, j ;记录一次仅有参考光时的光强分布R ;其中i为I a的正整数，j为I b的正整数，a，b分别表示小孔光阑扫描矩阵的总行数和总列数；所述的探测器记录的所有数据存入所述的计算机；(2)相位显微数据处理所述的计算机首先对物像复振幅提供一个随机的猜测值guess作为物像复振幅分布obj的初始值，即认为初始物像复振幅分布obj = guess,并且guess = Errand (m, n) *exp (i*rand (m, η) * π )，其中Ε为振幅，rand(m, η)为产生m行η列的随机数的函数，在计算机中以矩阵的形式存在，矩阵大小由探测器靶面分辨率、像素个数、小孔光阑的扫描次数及大小等因素决定，探测器矩阵表示为P行X q列，小孔光阑每次移动步长为1，并且由P行X q列的矩阵表示其透过率函数，透光部分为1，不透光部分为O，并且光阑的移动矩阵为a行Xb列，obj为m行Xn列,其中m = p+(a_l)*l,n = q+(b_l)*l,根据小孔光阑的扫描先后顺序对所在位置处的通光部分对obj进行不断更新，小孔光阑的透过率用只有O和I的屏函数cir表示，而使用相同的扫描小孔光阑，因此在所有位置处的屏函数cir相同，小孔光阑在扫描位置(i，j)处的obj更新步骤为(a)根据光波衍射原理计算物波透过小孔光阑在扫描位置(i，j)处的传播过程首先需要对应小孔光阑(9)所在位置(i，j)处取obj的p行Xq列作为样品实像(10)出射波函数，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，同时乘上小孔光阑(9)的透过率函数矩阵cir就是当前条件下的出射波函数(14)，表示为Objijj ;若样品所在Z = O处(x,y)平面的出射光振幅分布为E(x,y,0),在Z = L即探测器(12)处的复振幅分布为E (X，y, L)本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种透射型样品相位显微装置，特征在于该装置由相干光源(I)、分束器(2)、第一反射镜(3)、第一挡板(4)、第二挡板(5)、第一空间滤波器(6)、第一透镜(7)、待测样品(8)、小孔光阑(9)、实像(10)、耦合棱镜(11)、探测器(12)、计算机(13)、成像透镜组(17)、第二空间滤波器(18)、第二透镜(19)和第二反射镜(20)构成，上述元部件的位置关系如下 相干光源(I)发出的光经过分束器(2)分成透射光束和反射光束，所述的透射光束经第二空间滤波器(18)和第二透镜(19)变成平行光经所述的第二反射镜(20)反射后作为参考光(15)，所述的反射光束经第一反射镜(3)、第一空间滤波器(6)和第一透镜(7)后变成平行光作为照明光(16)照射在透射型待测样品(8)上，经该透过待测样品(8)的物光经成像透镜组(17)在一定距离处成放大的实像(10)，在该实像(10)处用空间分布已知的小孔光阑(9)在垂直于物光传播方向的平面内进行扫描，经所述的小孔光阑(9)扫描后的出射光沿同一光轴方向传播并作为物光光波(14)，该物光光波(14)和参考光(15)经过耦合棱镜(11)耦合后沿相同方向传播，并由探测器(12)记录光斑分布，所述的小孔光阑(9)由计算机(13)控制在垂直于物光光轴的平面(x，y)平面内进行逐行或者逐列扫描，所述的探测器(12)记录光斑分布输入计算机(13)进行存储，第一挡板(4)和第二挡板(5)分别作为位于所述的透射光束和反射光束的光路的开关。2.利用权利要求I所述的透射型样品相位显微装置的相位显微方法，特征在于该方法包括下列步骤 (1)数据记录计算机(13)控制小孔光阑(9)对放大后的实像(10)进行逐行扫描，在扫描过程中的第i行j列处，通过控制第一挡板(4)和第二挡板(5)用探测器(12)记录有照明光(16)和参考光(15)时的干涉图样的光强分布Hi,j ;仅有照明光(16)时的衍射场分布Ii, j ;记录一次仅有参考光(15)时的光强分布R ;其中i为I a的正整数，j为I b的正整数，a, b分别表示小孔光阑(...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘兴臣，刘诚，朱健强，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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