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GCS-DPM 定量相位显微成像实验

光衍射相位显微术（DPM），主要是干涉原理及傅里叶变换的方法来获取定量相位的技术。其结合了共路干涉和实时拍摄的特性，它的干涉结构稳定，同时还能对样品相位信息进行实时观测。目前，DPM技术应用十分广泛的，从生物工程到材料领域都有它的应用，如测量动态的生物样本、生物细胞定量相位测量、半导体蚀刻与光化学蚀刻过程的观察、材料的膨胀与变形等。相信未来还会有更广泛的应用场景等着我们去发掘。

定量相位显微成像实验实物图

♦ 知识点

光的干涉、4f系统成像及滤波、傅里叶变换

♦ 涉及课程

工程光学、物理光学、傅里叶光学

♦ 实验内容

• 搭建衍射相位显微光学实验光路

• 计算系统放大倍数，完成系统标定

• 采集干涉条纹图，计算背景及样品相位

• 根据相位信息计算样品高度信息

♦ 实验原理

衍射相位显微系统，是用平行光束照明样品，入射光通过显微物镜和场镜成像在显微镜的输出平面上。显微镜的输出面即成像面上放置了一个闪耀光栅，产生了许多衍射级次的样品像，其中1级衍射光强最强，0级衍射光强次之。将光栅面作为起始，放置两个透镜L1和L2形成一个4f系统，这两个透镜的共焦面成为傅里叶面。为了在众多衍射级次中选择出用于记录计算相位的级次，在这个傅里叶面上对各级次进行空间滤波。用一个25 μm的针孔对1级衍射光进行滤波，使其在CCD面上成为一个球面波，作为参考光；让0级光直接通过，成为携带样品相位信息的样品光。其余的衍射级次会被空间滤波直接挡住或无法被L2采集。因为针孔对1级衍射光的光强有削弱作用，1级光和0级光的最终光强能够非常接近，在CCD靶面上得到干涉图样，再通过傅里叶变换及其他计算得到样品相对于周围介质的相移，并将相移信息通过处理在计算机上显示。

♦ 原理示意图

定量相位显微成像光路示意图

♦ 效果图


（a）二氧化硅样品干涉图	（b）样品相位图


（c）样品恢复平面图	（d）样品高度图

实验结果图

♦ 技术指标

• 固体激光及组件：输出功率 P>50mW，中心波长 λ 532nm，光束直径 1.5mm，光束发散角 1mrad，功率稳定性 <5%；含激光夹持器、支杆等支撑器件；

• 可调衰减器：基底材料 K9；外形尺寸Φ54± 0.1mm，平行度 30"，光洁度 III 级，镀膜扇形角宽270°；含支撑器件；

• 反射镜组件：Φ40 mm加强铝反射镜，R>95%@可见光；可二维调整；含支撑器件；

• 透镜变换组件：Φ25.4mm，f100mm，表面镀增透膜，可二维调整；含支撑器件；

• 显微成像组件：20х 显微物镜，NA0.4，工作距5.8mm，含支撑架；

• 样品组件：二氧化硅小球（直径约20μm），盖玻片和载玻片封装，含夹持器件，并三维平移微调；

• 光阑组件：通过孔径Φ2-29mm；含支撑器件；

• 4f系统组件：放大倍数6倍，透镜L1Φ50mm，f50mm，透镜L2Φ50mm，f300mm；含支撑器件；

• 针孔滤波组件：针孔25um，可实现0级全透，1级滤波，基底为熔石英窗口，外径25mm；

• 一维平移组件：X轴正推，台面65*65mm，预留M3，M4转接孔，行程±12.5mm，千分丝杆读数，测量精度0.001um；

• 精密光学导轨：L×W=1200mm×100mm，配套滑块、一维移动滑块、调节支座、支杆；高精度调节镜架：稳定性<2′；

• 图像传感器：黑白CMOS，靶面尺寸 1/1.8″，灵敏度 1.6v@550nm/Lux/s，分辨率 1280*1024，像素5.2um，USB2.0；含支杆，调节支座，磁座；

• 软件组件：包含系统标定、相位计算和高度恢复三个模块；系统标定包含图片灰度分析，放大率计算；相位计算包含背景相位、样品相位计算和包裹相位计算；高度恢复包含高度图显示和位置选点显示，数据导出等。

♦ 必备设备

计算机

♦ 建议课时

4课时

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