專利名稱：高信噪比的金相顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顯微鏡，特別是一種高信噪比的金相顯微鏡。
背景技術(shù)：
金相顯微鏡是材料分析中觀察組織細(xì)節(jié)及缺陷的基本工具?；趲缀喂?br> 學(xué)和衍射光學(xué)原理制成的金相顯微鏡的有效放大率最大為1500~1600倍，可 以觀察小至200nm的組織。這類顯微鏡的成像質(zhì)量在很大程度上取決于物鏡 的質(zhì)量。因?yàn)槲镧R既要盡可能多地采集來(lái)自物體的信息，又要將信號(hào)不失真 地傳到目鏡。為了達(dá)到此目的，人們?cè)O(shè)計(jì)了大數(shù)值孔徑的物鏡、復(fù)消色差物 鏡、平視場(chǎng)物鏡等等......。目鏡則負(fù)責(zé)將物鏡的信號(hào)以適合的放大率傳遞給人眼。
除此之外，照明系統(tǒng)及光路也是影響金相顯微鏡成像質(zhì)量的主要因素之 一。人們采取了種種措施，改進(jìn)照明光源，設(shè)計(jì)合理的光路系統(tǒng)，為了使來(lái) 自物體的光信號(hào)盡可能多地到達(dá)目鏡，將背景雜散光盡可能地排除，使之在 1500倍的放大率下仍能保持高的成像清晰度和襯度。
常用的顯微鏡無(wú)論是明視場(chǎng)還是暗視場(chǎng)照明，光路的主要部件通常都用 和光源光線成45度角放置的平面玻璃作垂直照明器，作用是讓來(lái)自光源的光 線轉(zhuǎn)90度到達(dá)樣品3，再使從樣品3出來(lái)的光線透過(guò)照明器和后續(xù)光路系統(tǒng) 后到達(dá)目鏡，光路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。由光源l、準(zhǔn)直透鏡2、樣品3、 物鏡組4、平面玻璃5、后續(xù)光路系統(tǒng)6和目鏡組7構(gòu)成，這種光路系統(tǒng)的優(yōu) 點(diǎn)是成像平坦、清晰，是目前普遍使用的光路系統(tǒng)(參見(jiàn)孫業(yè)英，《光學(xué)顯 微分析》清華大學(xué)出版社)。然而，這種光路系統(tǒng)的不足之處是用平面玻 璃5做成的垂直照明器無(wú)法同時(shí)滿足高的反射率和透射率，從光源1出來(lái)的 光線每經(jīng)過(guò)一次平面玻璃要損耗50%，最后到達(dá)目鏡的光線最多只有原來(lái)的 25%，影響了成像的質(zhì)量和清晰度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種高信噪比的金相 顯微鏡，以顯著提高金相顯微鏡的光信號(hào)利用率，理論上可獲得優(yōu)于在先技 術(shù)10倍以上的信噪比，因而顯著提高成像質(zhì)量和襯度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種高信噪比的金相顯微鏡，包括光源、物鏡組、后續(xù)光路系統(tǒng)和目鏡 組，其特點(diǎn)是在所述的物鏡組和后續(xù)光路系統(tǒng)之間的光路中設(shè)有轉(zhuǎn)角鏡， 該轉(zhuǎn)角鏡由一片偏振分光片和四分之一波片構(gòu)成，所述的偏振分光片與所述 的物鏡組和后續(xù)光路系統(tǒng)之間的光路的夾角為45° 55° ，所述的四分之一 波片與所述的物鏡組和后續(xù)光路系統(tǒng)之間的光路垂直，該四分之一波片的光
軸方向與所入射的線偏振光的偏振方向呈45°角，所述的光源是一單色準(zhǔn)直偏
振光源，由所述的單色準(zhǔn)直偏振光源發(fā)出的偏振光束照射在所述的偏振分光 片上，該偏振分光片對(duì)從光源入射的偏振方向垂直于入射平面的偏振光束以 高反射率反射并正入射到所述的四分之一波片，透過(guò)該四分之一波片后成為 圓偏振光，光線經(jīng)所述的物鏡組照射樣品，由該樣品調(diào)制的反射的圓偏振光， 經(jīng)所述的物鏡組，再次經(jīng)過(guò)所述的四分之一波片后，將光線的偏振方向轉(zhuǎn)換 為與原入射光的偏振方向相垂直，高透過(guò)率地透過(guò)所述的偏振分光片經(jīng)所述 的后續(xù)光路系統(tǒng)進(jìn)入所述的目鏡組。
所述的單色準(zhǔn)直偏振光源由依次的單色照明光源、準(zhǔn)直透鏡和偏振片組成。
所述的單色照明光源是高亮度的單色半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下
由所述的單色準(zhǔn)直偏振光源發(fā)出的偏振光束照射在所述的偏振分光片
上，該偏振分光片將入射偏振光線轉(zhuǎn)過(guò)90度或大于90度角正入射到所述的
的四分之一波片，線偏振光線經(jīng)過(guò)所述的四分之一波片后成為圓偏振光，到
達(dá)物鏡組再至樣品。從樣品經(jīng)物鏡4反射回來(lái)的圓偏振光，第二次通過(guò)所述 的四分之一波片時(shí)，又成為線偏振光，其偏振方向與原先出射到樣品的偏振 光的振動(dòng)方向相垂直，因此，此光線將以高于90%的透射率通過(guò)轉(zhuǎn)角鏡經(jīng)后 續(xù)光路系統(tǒng)最終到達(dá)目鏡。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比，避免了在先技術(shù)中每通過(guò)一次平面玻璃的折反 后，光線的能量損失一半變?yōu)殡s散光的情況。本發(fā)明大幅度減少了背景光， 顯著增加了信號(hào)光，優(yōu)于在先技術(shù)10倍以上的信噪比，因而顯著提高成像質(zhì) 量和襯度。


圖1是已有的使用平面玻璃元件作為垂直照明器的顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明高信噪比的金相顯微鏡實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明所述的四分之一波片的光軸方向示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖2，圖2是本發(fā)明高信噪比的金相顯微鏡實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 由圖可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例高信噪比的金相顯微鏡，包括光源、物鏡組4、后續(xù) 光路系統(tǒng)6和目鏡組7，其特征是在所述的物鏡組4和后續(xù)光路系統(tǒng)6之間 的光路中設(shè)有轉(zhuǎn)角鏡ll，該轉(zhuǎn)角鏡ll由偏振分光片8和四分之一波片9構(gòu)成， 所述的偏振分光片8與所述的物鏡組4和后續(xù)光路系統(tǒng)6之間的光路的夾角 為45° 55° ，所述的四分之一波片9與所述的物鏡組4和后續(xù)光路系統(tǒng)6 之間的光路垂直，該四分之一波片9的光軸方向與所入射的線偏振光的偏振 方向呈45°角，所述的光源是一單色準(zhǔn)直偏振光源，所述的單色準(zhǔn)直偏振光源 由依次的單色照明光源12、準(zhǔn)直透鏡2和偏振片IO組成。由所述的單色照明 光源12發(fā)出的單色光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后射在偏振片10上形成線偏振光， 其偏振方向垂至于偏振分光片的入射面，即圖2中的紙面，該偏振光束照射 在所述的偏振分光片8上。該偏振分光片8通過(guò)對(duì)偏振方向垂直于入射面的 偏振光全反射，而對(duì)偏振方向平行于入射面的偏振光全透射進(jìn)行分束。該偏 振分光片8對(duì)入射的偏振方向垂直于入射平面的偏振光束反射后正入射到所 述的四分之一波片9，透過(guò)后變成圓偏振光，經(jīng)所述的物鏡組4照射樣品3， 由該樣品3調(diào)制的并反射的圓偏振光線，經(jīng)所述的物鏡組4后由所述的四分 之一波片9將圓偏振光轉(zhuǎn)換為偏振方向平行于所述的偏振分光片8入射平面 的偏振光束，以高透過(guò)率透過(guò)所述的偏振分光片8，經(jīng)所述的后續(xù)光路系統(tǒng)6 進(jìn)入所述的目鏡組7。
所述的單色照明光源12是高亮度的單色半導(dǎo)體發(fā)光二極管。 所述的四分之一波片9的光軸方向置于與入射偏振光的偏振方向夾45度 角，起到改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)的作用，詳參見(jiàn)圖3。圖中(a)為正面圖， 也就是光線正入射的表面，虛線組AA'表示在紙平面內(nèi)的晶體光軸的取向。(b) 為四分之一波片側(cè)面圖，箭號(hào)為入射光線方向。
說(shuō)明書(shū)第4/5頁(yè)
所述的偏振分光片8是一種經(jīng)特別設(shè)計(jì)的鍍膜鏡片，在玻璃基片上鍍制 折射率高低交替變化的多層復(fù)合膜，獲得對(duì)垂直和平行于入射面的兩個(gè)方向
的光的偏振分束。若復(fù)合膜層折射率的設(shè)計(jì)與照明光源的波長(zhǎng)和入射角度匹 配，那么當(dāng)膜層足夠多時(shí)，可以獲得很高的偏振分光效率。若波長(zhǎng)和入射角 度與設(shè)計(jì)的膜系不匹配，那么偏振分光率將達(dá)不到最佳設(shè)定值，造成光線的 偏振反射率或偏振透過(guò)率顯著降低，也就是信號(hào)強(qiáng)度降低。
本發(fā)明經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)整轉(zhuǎn)角鏡11可以將來(lái)自單色偏振光源的光線反射90% 以上，并將來(lái)自樣品3和物鏡組4的光線以高于90%的透過(guò)率出射，這樣光 線兩次經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)角鏡后，若不考慮吸收的話，產(chǎn)生的總損耗在20%以下，也就 是背景光下降到了 20%以下。與在先技術(shù)中的平面玻璃元件每次損耗50%相 比，信噪比得到了數(shù)量級(jí)的提高。
所述的四分之一波片9，是指常用的用單軸晶體制成的前后兩個(gè)表面與晶 體光軸平行的單晶片，波片放置以其光軸方向與入射線偏振光的偏振方向夾 45度角，如圖3 (a)所示，目的是改變光線的線偏狀態(tài)。
本發(fā)明中的照明光源12，是一種單色高亮度InGaAlP半導(dǎo)體發(fā)光二極管 光源，具有高亮度，低能耗及高準(zhǔn)直性，如InGaAlP的橙色620nm光，或590nm 黃色超高亮度光源。該光源發(fā)出的光線比常規(guī)的鎢絲燈或氙燈單色性好，準(zhǔn) 直度高。
單色照明光源12經(jīng)常規(guī)的準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后，再經(jīng)過(guò)偏振片IO，成為偏 振光入射到轉(zhuǎn)角鏡11，所述的偏振片10的放置方向選擇使光線通過(guò)后成為振 動(dòng)方向垂直于偏振分光片的入射面的偏振光線。所謂偏振分光片的入射面是 指入射光線的前進(jìn)方向矢量與偏振分光片的光學(xué)表面法線矢量所構(gòu)成的平 面，圖2中為紙張平面，垂直于入射面的偏振方向即為垂直于紙平面的方向， 圖2中以圓點(diǎn)標(biāo)示出，而平行于入射面的偏振狀態(tài)則用小橫線標(biāo)示出來(lái)。當(dāng) 光線以45度(或接近45度)角斜入射到偏振分光片8時(shí)，被轉(zhuǎn)過(guò)90度(或 接近90度)的角出射，最終到達(dá)樣品3。從樣品3經(jīng)物鏡組4反射回的圓偏 振光線，當(dāng)?shù)诙谓?jīng)過(guò)四分之一波片9時(shí)，又成為線偏振光，偏振方向與原 先入射光的偏振方向相互垂直，即在紙平面方向，因此，該偏振光將以很高 的透射率通過(guò)偏振分光片，最后經(jīng)后續(xù)光路系統(tǒng)6到達(dá)目鏡組7。
單色照明光源12發(fā)出的單色光經(jīng)常規(guī)的準(zhǔn)直鏡2準(zhǔn)直后，再經(jīng)偏振片10
出射，出射光的偏振方向以垂直于偏振分光片8的入射面也就是垂直于紙面 的方向入射到偏振分光片8，然后再通過(guò)四分之一波片9，由于波晶片9的晶 體光軸方向與入射線偏振光的振動(dòng)方向夾45度角，如圖3 (a)所示，光線在 經(jīng)過(guò)四分之一波片9時(shí)，分為o光和e光相等的兩部分，波片的厚度d滿足: (We-W。) d= (2k+l)人/4，其中k是任意整數(shù)，入為照明光波長(zhǎng)，"e和"。為e 光和o光的折射率，這樣，正入射并與波片光軸夾45°的線偏振光在出射時(shí) o光和e光的光程差為±人/4，于是形成為圓偏振光出射，經(jīng)物鏡組4到達(dá)樣品 3。
從樣品3經(jīng)物鏡組4返回的圓偏振光再次經(jīng)過(guò)四分之一波片9時(shí)，從圓 偏振光變成為線偏振光，由于空間反折，從圓偏振光變成為的線偏振光與原 先的入射的線偏振光相互垂直，因此以高的透過(guò)率通過(guò)偏振分光片8，經(jīng)后續(xù) 光路系統(tǒng)6最后到達(dá)目鏡7或記錄平面。
所述的偏振分光片8的設(shè)計(jì)和制作，是通過(guò)在玻璃基片上鍍折射率高低 交替變化的多層復(fù)合膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，膜層按照入射光線進(jìn)入的多層膜的每層都是 布儒斯特角設(shè)計(jì)，膜層的厚度滿足一定的光線干涉加強(qiáng)的條件，每一層膜的 厚度可以有幾十個(gè)原子層。當(dāng)復(fù)合膜層與設(shè)計(jì)的照明光源的波長(zhǎng)和入射角度 相匹配時(shí)，可以獲得高于90%的偏振率。若兩者不匹配時(shí)，將達(dá)不到最佳設(shè) 計(jì)值。
權(quán)利要求
1.一種高信噪比的金相顯微鏡，包括光源、物鏡組(4)、后續(xù)光路系統(tǒng)(6)和目鏡組(7)，其特征是在所述的物鏡組(4)和后續(xù)光路系統(tǒng)(6)之間的光路中設(shè)有轉(zhuǎn)角鏡(11)，該轉(zhuǎn)角鏡(11)由一片偏振分光片(8)和四分之一波片(9)構(gòu)成，所述的偏振分光片(8)與所述的物鏡組(4)和后續(xù)光路系統(tǒng)(6)之間的光路的夾角為45°～55°，所述的四分之一波片(9)與所述的物鏡組(4)和后續(xù)光路系統(tǒng)(6)之間的光路垂直，該四分之一波片(9)的光軸方向與所入射的線偏振光的偏振方向呈45°角，所述的光源是一單色準(zhǔn)直偏振光源，由所述的單色準(zhǔn)直偏振光源發(fā)出的偏振光束照射在所述的偏振分光片(8)上，該偏振分光片(8)對(duì)入射的偏振方向垂直于入射平面的偏振光束以高反射率反射并正入射到所述的四分之一波片(9)，透過(guò)該四分之一波片(9)后成為圓偏振光，光線經(jīng)所述的物鏡組(4)照射樣品(3)，由該樣品(3)調(diào)制的反射的圓偏振光，經(jīng)所述的物鏡組(4)，再次經(jīng)過(guò)所述的四分之一波片(9)后，將光線的偏振方向轉(zhuǎn)換為與原入射光的偏振方向相垂直，高透過(guò)率地透過(guò)所述的偏振分光片(8)經(jīng)所述的后續(xù)光路系統(tǒng)(6)進(jìn)入所述的目鏡組(7)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高信噪比的金相顯微鏡，其特征在于所述的單 色準(zhǔn)直偏振光源由依次的單色照明光源(12)、準(zhǔn)直透鏡(2)和偏振片(10) 組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高信噪比的金相顯微鏡，其特征在于所述的單 色照明光源(12)是高亮度的單色半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
全文摘要
一種高信噪比的金相顯微鏡，包括光源、物鏡組、后續(xù)光路系統(tǒng)和目鏡組，其特點(diǎn)是在所述的物鏡組和后續(xù)光路系統(tǒng)之間的光路中設(shè)有轉(zhuǎn)角鏡，該轉(zhuǎn)角鏡由一片偏振分光片和四分之一波片構(gòu)成，所述的偏振分光片與所述的物鏡組和后續(xù)光路系統(tǒng)之間的光路的夾角為45°～55°，所述的四分之一波片與所述的物鏡組和后續(xù)光路系統(tǒng)之間的光路垂直，該四分之一波片的光軸方向與所入射的線偏振光的偏振方向呈45°角，所述的光源是一單色準(zhǔn)直偏振光源。本發(fā)明優(yōu)于在先技術(shù)10倍以上的信噪比，因而顯著提高了儀器的成像質(zhì)量和襯度。
文檔編號(hào)G02B27/28GK101369051SQ200810200888
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日
發(fā)明者高鴻奕 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所