[发明专利]透射型样品相位显微装置和相位显微方法

权利要求书

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(1)、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(1)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1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H_i，j；仅有照明光(16)时的衍射场分布I_i，j；记录一次仅有参考光(15)时的光强分布R；其中i为1～a的正整数，j为1～b的正整数，a，b分别表示小孔光阑(9)扫描矩阵的总行数和总列数；所述的探测器(12)记录的所有数据存入所述的计算机(13)；

(2)相位显微数据处理：

所述的计算机(13)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＝E*rand(m，n)*exp(i*rand(m，n)*π)，

其中：E为振幅，rand(m，n)为产生m行n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(12)靶面分辨率、像素个数、小孔光阑(9)的扫描次数及大小等因素决定，探测器矩阵表示为p行×q列，小孔光阑(9)每次移动步长为l，并且由p行×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0，并且光阑的移动矩阵为a行×b列，obj为m行×n列，其中m＝p+(a-1)*l，n＝q+(b-1)*l，根据小孔光阑(9)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(9)的透过率用只有0和1的屏函数cir表示，而使用相同的扫描小孔光阑(9)，因此在所有位置处的屏函数cir相同，小孔光阑(9)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(9)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×q列作为样品实像(10)出射波函数，即obj的1+(i-1)*l行到p+(i-1)*l行，1+(j-1)*l列到q+(j-1)*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obj_i，j；若样品所在Z＝0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)：

E(x,y,L)=∫∫∞A(αλ,βλ,0)exp(i2πλ1-α2-β2L)exp[i2π(αλx+βλy)]dαλdβλ]]>

其中：为Z＝0处E(x，y，0)的角谱，λ为照明光的波长；

计算得到此时探测器(12)处的复振幅分布E_i，j＝abs(E_i，j)exp(iφ_i，j)，保持其相位不变并用所述的衍射场分布I_i，j的平方根sqrt(I_i，j)代替其振幅变为E′_i，j＝sqrt(I_i，j)exp(iφ_i，j)；再计算其逆向传播回小孔光阑(9)处的复振幅分布obj′_i，j，根据此处小孔光阑(9)的透过率函数对透光孔外的值强制为零得到新的obj′_i，j；

(b)利用更新后的obj′_i，j作为物光(14)计算其和参考光(15)同时存在时的情况，由于使用的参考光(15)为平面波，其相位为常数，而振幅为sqrt(R)，因此参考光是振幅为sqrt(R)，相位为常数0的平面波，所以物光(14)和参考光(15)同时存在时探测器(12)处的复振幅分布为并用sqrt(H_i，j)代替其振幅而相位保持不变，得到新的根据复振幅叠加原理，探测器(12)处的物光分布可以用G′_i，j-sqrt(R)来进行计算，将G′_i，j-sqrt(R)逆传播到小孔光阑(9)处得到obj″_i，j；同时obj_i，j在小孔光阑(9)的透光部分用obj″_i，j代替，obj_i，j的其他部分不变得到本次计算的样品出射波复振幅分布为obj″′_i，j：

obj″′_i，j＝obj_i，j*～cir+obj″_i，j*cir，

其中：～cir为小孔透过率函数矩阵的取反操作，即0变为1，1变为0；再用obj″′_i，j代替obj中与之相对应的p行q列矩阵，obj在小孔光阑(9)处的分布得到一次更新；

(c)重复步骤(a)、(b)计算(i，j+1)样品出射波复振幅分布为obj″′_i，j+1，直至所有小孔位置处的obj都顺次更新完成一次；

(d)计算精度函数SSE并进行判断：

当SSE接近为0，或者达到精度要求时，进入步骤(e)，否则，再从第一个小孔位置处开始重复步骤(a)～(d)；

(e)结束，最终得到的obj为样品实像(10)的复振幅分布的减去照明光(16)的振幅为illu即为样品(8)的振幅透过率函数而相位为照明光(16)经过样品(8)后的位相变化值，即实现了位相显微测量。

3.根据权利要求2所述的透射型样品相位显微方法，特征在于所述的精度函数SSE的计算方法如下：

若CCD处记录的物光光强分布由矩阵I_i，j表示，而相应的再现波函数传播到CCD处的光强分布由矩阵E_i，j表示，则其中i＝1，2...，j＝1，2...。