可定量测量的透射式微分干涉显微系统

透明体表面形貌的测量在生物技术,材料科学等领域中有广泛应用。例如;为获取高质量和足够大的蛋白质晶体,监控晶体生长过程形貌变化十分必要[1]。这些物体的共同特点是质软、透明以及低对比度,需采用非接触的光学测量方法。

20世纪50年代出现的干涉相衬显微术在观测微细结构方面,具有明显优势。它实质是双光束偏振光干涉,根据光路结构可分为分光路和共光路,为适应不同物体又有反射和透射之分[2,3]。国外,已有专供反射用的干涉显微镜,如WYKO公司TOPO型轮廓仪,是目前世界上应用最广泛的一种表面形貌测量系统,它是反射式分光路,只适合测量如金属类的物体。另一典型是Nomarski显微镜,它是反射式共光路,是一种定性观察表面形貌的高灵敏度仪器,定量测量很困难。清华大学精密仪器与机械学系曾于1992年将相移技术用于微分干涉显微镜中,实现了表面形貌的定量测量,它是基于反射式光路,也只适合测量高反射物体。

为了扩大应用范围,结合透明体形貌测量的需要,课题组研制了透射式微分干涉显微测量系统。

1　透射式微分干涉测量原理

光路结构如图1所示。与反射式光路的主要不同是增加一个副Nomarski棱镜组,使来自起偏器的线偏振光通过N棱镜时,被微分剪切成振动方向互相垂直的两个偏振光,它们经过聚光镜产生一平行的剪切量,进入到被测物体,再经过物镜及主N棱镜光重新复合,从1/4波片和检偏器出射后发生干涉。用CCD摄像机可记录干涉光强,该光强产生的相位差,不仅与被测相位有关,还与检偏器的方位角成线性关系。

如果对两束相干光的相位差引入一个时间调制,即可从接收到的干涉光强方程组中解算出被测相位。较早的报导,包括清华大学研制的反射式微分干涉显微系统,相位提取多采用四步算法,经理论分析及实验验证,认为五步算法对误差最不敏感,故采用五步算法[4]。即检偏器的方位角分别取-90°,-45°, 0°, 45°, 90°,对应干涉光强分别为Ii(i=1～5)。最后被测相位计算公式为

式中:λ为波长,n为被测物体折射率,s为沿x方向的剪切量。

上式表明:物体表面形貌沿x方向的变化率与相位差成比例,为求出整个物体表面形貌,只需进行积分运算即可实现。

2　改装关键技术

原反射式微分干涉显微镜,虽有透射照明部分,它只是起改善观察透明体效果的作用,完全不能满足定量测量的要求,透射式微分干涉照明系统的主要要求有: 1)光源应有足够的亮度,聚光镜应有足够大的通光口径。2)应保证被观测物的整个视场均匀。3)为达到补偿目的,应使光束经过副分光棱镜及聚光镜后形成的波前剪切量,与主棱镜与物镜形成的相同。4)应有足够长的平行光路,以放置副棱镜部件。