透射型样品相位显微装置和相位显微方法

摘要

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。

主权项

1.一种透射型样品的相位显微方法，特征在于该方法采用透射型样品相位显微装置进行样品的相位显微，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出射波函数（14），该出射波函数（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，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)：$E(x,y,L)=\underset{\infty }{\int \int }A(\frac{\alpha }{\lambda },\frac{\beta }{\lambda },0)\exp \left(i\frac{2\pi }{\lambda }\sqrt{1-{\alpha }^2-{\beta }^2}L\right)\exp \left[i2\pi (\frac{\alpha }{\lambda }x+\frac{\beta }{\lambda }y)\right]d\frac{\alpha }{\lambda }d\frac{\beta }{\lambda }$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作为出射波函数（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，所以出射波函数（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。