[发明专利]透射型样品相位显微装置和相位显微方法

说明书

技术领域

本发明涉及透射型样品的成像及相位测量，特别是一种透射型样品相位显微装置和相位显微方法。

背景技术

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CDI)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CCD记录。CDI算法如下：

假设CCD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CCD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′(r)；

(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。

CDI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。

发明内容

本发明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。

本发明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：