专利名称：高信噪比的金相显微镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及显微镜，特别是一种高信噪比的金相显微镜。
背景技术：
金相显微镜是材料分析中观察组织细节及缺陷的基本工具。基于几何光
学和衍射光学原理制成的金相显微镜的有效放大率最大为1500~1600倍，可 以观察小至200nm的组织。这类显微镜的成像质量在很大程度上取决于物镜 的质量。因为物镜既要尽可能多地采集来自物体的信息，又要将信号不失真 地传到目镜。为了达到此目的，人们设计了大数值孔径的物镜、复消色差物 镜、平视场物镜等等......。目镜则负责将物镜的信号以适合的放大率传递给人眼。
除此之外，照明系统及光路也是影响金相显微镜成像质量的主要因素之 一。人们采取了种种措施，改进照明光源，设计合理的光路系统，为了使来 自物体的光信号尽可能多地到达目镜，将背景杂散光尽可能地排除，使之在 1500倍的放大率下仍能保持高的成像清晰度和衬度。
常用的显微镜无论是明视场还是暗视场照明，光路的主要部件通常都用 和光源光线成45度角放置的平面玻璃作垂直照明器，作用是让来自光源的光 线转90度到达样品3，再使从样品3出来的光线透过照明器和后续光路系统 后到达目镜，光路的结构简图如图1所示。由光源l、准直透镜2、样品3、 物镜组4、平面玻璃5、后续光路系统6和目镜组7构成，这种光路系统的优 点是成像平坦、清晰，是目前普遍使用的光路系统(参见孙业英，《光学显 微分析》清华大学出版社)。然而，这种光路系统的不足之处是用平面玻 璃5做成的垂直照明器无法同时满足高的反射率和透射率，从光源1出来的 光线每经过一次平面玻璃要损耗50%，最后到达目镜的光线最多只有原来的 25%，影响了成像的质量和清晰度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种高信噪比的金相 显微镜，以显著提高金相显微镜的光信号利用率，理论上可获得优于在先技 术10倍以上的信噪比，因而显著提高成像质量和衬度。
本发明的技术解决方案如下
一种高信噪比的金相显微镜，包括光源、物镜组、后续光路系统和目镜 组，其特点是在所述的物镜组和后续光路系统之间的光路中设有转角镜， 该转角镜由一片偏振分光片和四分之一波片构成，所述的偏振分光片与所述 的物镜组和后续光路系统之间的光路的夹角为45° 55° ，所述的四分之一 波片与所述的物镜组和后续光路系统之间的光路垂直，该四分之一波片的光
轴方向与所入射的线偏振光的偏振方向呈45°角，所述的光源是一单色准直偏
振光源，由所述的单色准直偏振光源发出的偏振光束照射在所述的偏振分光 片上，该偏振分光片对从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，透过该四分之一波片后成为 圆偏振光，光线经所述的物镜组照射样品，由该样品调制的反射的圆偏振光， 经所述的物镜组，再次经过所述的四分之一波片后，将光线的偏振方向转换 为与原入射光的偏振方向相垂直，高透过率地透过所述的偏振分光片经所述 的后续光路系统进入所述的目镜组。
所述的单色准直偏振光源由依次的单色照明光源、准直透镜和偏振片组成。
所述的单色照明光源是高亮度的单色半导体发光二极管。
本发明的技术效果如下
由所述的单色准直偏振光源发出的偏振光束照射在所述的偏振分光片
上，该偏振分光片将入射偏振光线转过90度或大于90度角正入射到所述的
的四分之一波片，线偏振光线经过所述的四分之一波片后成为圆偏振光，到
达物镜组再至样品。从样品经物镜4反射回来的圆偏振光，第二次通过所述 的四分之一波片时，又成为线偏振光，其偏振方向与原先出射到样品的偏振 光的振动方向相垂直，因此，此光线将以高于90%的透射率通过转角镜经后 续光路系统最终到达目镜。
本发明与在先技术相比，避免了在先技术中每通过一次平面玻璃的折反 后，光线的能量损失一半变为杂散光的情况。本发明大幅度减少了背景光， 显著增加了信号光，优于在先技术10倍以上的信噪比，因而显著提高成像质 量和衬度。
图1是已有的使用平面玻璃元件作为垂直照明器的显微镜结构示意图。 图2是本发明高信噪比的金相显微镜实施例的结构示意图。
图3是本发明所述的四分之一波片的光轴方向示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明 的保护范围。
先请参阅图2，图2是本发明高信噪比的金相显微镜实施例的结构示意图。 由图可见，本发明实施例高信噪比的金相显微镜，包括光源、物镜组4、后续 光路系统6和目镜组7，其特征是在所述的物镜组4和后续光路系统6之间 的光路中设有转角镜ll，该转角镜ll由偏振分光片8和四分之一波片9构成， 所述的偏振分光片8与所述的物镜组4和后续光路系统6之间的光路的夹角 为45° 55° ，所述的四分之一波片9与所述的物镜组4和后续光路系统6 之间的光路垂直，该四分之一波片9的光轴方向与所入射的线偏振光的偏振 方向呈45°角，所述的光源是一单色准直偏振光源，所述的单色准直偏振光源 由依次的单色照明光源12、准直透镜2和偏振片IO组成。由所述的单色照明 光源12发出的单色光经准直透镜2准直后射在偏振片10上形成线偏振光， 其偏振方向垂至于偏振分光片的入射面，即图2中的纸面，该偏振光束照射 在所述的偏振分光片8上。该偏振分光片8通过对偏振方向垂直于入射面的 偏振光全反射，而对偏振方向平行于入射面的偏振光全透射进行分束。该偏 振分光片8对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，透过后变成圆偏振光，经所述的物镜组4照射样品3， 由该样品3调制的并反射的圆偏振光线，经所述的物镜组4后由所述的四分 之一波片9将圆偏振光转换为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，以高透过率透过所述的偏振分光片8，经所述的后续光路系统6 进入所述的目镜组7。
所述的单色照明光源12是高亮度的单色半导体发光二极管。 所述的四分之一波片9的光轴方向置于与入射偏振光的偏振方向夹45度 角，起到改变入射光的偏振状态的作用，详参见图3。图中(a)为正面图， 也就是光线正入射的表面，虚线组AA'表示在纸平面内的晶体光轴的取向。(b) 为四分之一波片侧面图，箭号为入射光线方向。
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所述的偏振分光片8是一种经特别设计的镀膜镜片，在玻璃基片上镀制 折射率高低交替变化的多层复合膜，获得对垂直和平行于入射面的两个方向
的光的偏振分束。若复合膜层折射率的设计与照明光源的波长和入射角度匹 配，那么当膜层足够多时，可以获得很高的偏振分光效率。若波长和入射角 度与设计的膜系不匹配，那么偏振分光率将达不到最佳设定值，造成光线的 偏振反射率或偏振透过率显著降低，也就是信号强度降低。
本发明经过仔细调整转角镜11可以将来自单色偏振光源的光线反射90% 以上，并将来自样品3和物镜组4的光线以高于90%的透过率出射，这样光 线两次经过转角镜后，若不考虑吸收的话，产生的总损耗在20%以下，也就 是背景光下降到了 20%以下。与在先技术中的平面玻璃元件每次损耗50%相 比，信噪比得到了数量级的提高。
所述的四分之一波片9，是指常用的用单轴晶体制成的前后两个表面与晶 体光轴平行的单晶片，波片放置以其光轴方向与入射线偏振光的偏振方向夹 45度角，如图3 (a)所示，目的是改变光线的线偏状态。
本发明中的照明光源12，是一种单色高亮度InGaAlP半导体发光二极管 光源，具有高亮度，低能耗及高准直性，如InGaAlP的橙色620nm光，或590nm 黄色超高亮度光源。该光源发出的光线比常规的钨丝灯或氙灯单色性好，准 直度高。
单色照明光源12经常规的准直透镜2准直后，再经过偏振片IO，成为偏 振光入射到转角镜11，所述的偏振片10的放置方向选择使光线通过后成为振 动方向垂直于偏振分光片的入射面的偏振光线。所谓偏振分光片的入射面是 指入射光线的前进方向矢量与偏振分光片的光学表面法线矢量所构成的平 面，图2中为纸张平面，垂直于入射面的偏振方向即为垂直于纸平面的方向， 图2中以圆点标示出，而平行于入射面的偏振状态则用小横线标示出来。当 光线以45度(或接近45度)角斜入射到偏振分光片8时，被转过90度(或 接近90度)的角出射，最终到达样品3。从样品3经物镜组4反射回的圆偏 振光线，当第二次经过四分之一波片9时，又成为线偏振光，偏振方向与原 先入射光的偏振方向相互垂直，即在纸平面方向，因此，该偏振光将以很高 的透射率通过偏振分光片，最后经后续光路系统6到达目镜组7。
单色照明光源12发出的单色光经常规的准直镜2准直后，再经偏振片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纸面 的方向入射到偏振分光片8，然后再通过四分之一波片9，由于波晶片9的晶 体光轴方向与入射线偏振光的振动方向夹45度角，如图3 (a)所示，光线在 经过四分之一波片9时，分为o光和e光相等的两部分，波片的厚度d满足: (We-W。) d= (2k+l)人/4，其中k是任意整数，入为照明光波长，"e和"。为e 光和o光的折射率，这样，正入射并与波片光轴夹45°的线偏振光在出射时 o光和e光的光程差为±人/4，于是形成为圆偏振光出射，经物镜组4到达样品 3。
从样品3经物镜组4返回的圆偏振光再次经过四分之一波片9时，从圆 偏振光变成为线偏振光，由于空间反折，从圆偏振光变成为的线偏振光与原 先的入射的线偏振光相互垂直，因此以高的透过率通过偏振分光片8，经后续 光路系统6最后到达目镜7或记录平面。
所述的偏振分光片8的设计和制作，是通过在玻璃基片上镀折射率高低 交替变化的多层复合膜来实现，膜层按照入射光线进入的多层膜的每层都是 布儒斯特角设计，膜层的厚度满足一定的光线干涉加强的条件，每一层膜的 厚度可以有几十个原子层。当复合膜层与设计的照明光源的波长和入射角度 相匹配时，可以获得高于90%的偏振率。若两者不匹配时，将达不到最佳设 计值。
权利要求
1.一种高信噪比的金相显微镜，包括光源、物镜组(4)、后续光路系统(6)和目镜组(7)，其特征是在所述的物镜组(4)和后续光路系统(6)之间的光路中设有转角镜(11)，该转角镜(11)由一片偏振分光片(8)和四分之一波片(9)构成，所述的偏振分光片(8)与所述的物镜组(4)和后续光路系统(6)之间的光路的夹角为45°～55°，所述的四分之一波片(9)与所述的物镜组(4)和后续光路系统(6)之间的光路垂直，该四分之一波片(9)的光轴方向与所入射的线偏振光的偏振方向呈45°角，所述的光源是一单色准直偏振光源，由所述的单色准直偏振光源发出的偏振光束照射在所述的偏振分光片(8)上，该偏振分光片(8)对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)，透过该四分之一波片(9)后成为圆偏振光，光线经所述的物镜组(4)照射样品(3)，由该样品(3)调制的反射的圆偏振光，经所述的物镜组(4)，再次经过所述的四分之一波片(9)后，将光线的偏振方向转换为与原入射光的偏振方向相垂直，高透过率地透过所述的偏振分光片(8)经所述的后续光路系统(6)进入所述的目镜组(7)。
2、 根据权利要求l所述的高信噪比的金相显微镜，其特征在于所述的单 色准直偏振光源由依次的单色照明光源(12)、准直透镜(2)和偏振片(10) 组成。
3、 根据权利要求2所述的高信噪比的金相显微镜，其特征在于所述的单 色照明光源(12)是高亮度的单色半导体发光二极管。
全文摘要
一种高信噪比的金相显微镜，包括光源、物镜组、后续光路系统和目镜组，其特点是在所述的物镜组和后续光路系统之间的光路中设有转角镜，该转角镜由一片偏振分光片和四分之一波片构成，所述的偏振分光片与所述的物镜组和后续光路系统之间的光路的夹角为45°～55°，所述的四分之一波片与所述的物镜组和后续光路系统之间的光路垂直，该四分之一波片的光轴方向与所入射的线偏振光的偏振方向呈45°角，所述的光源是一单色准直偏振光源。本发明优于在先技术10倍以上的信噪比，因而显著提高了仪器的成像质量和衬度。
文档编号G02B27/28GK101369051SQ200810200888
公开日2009年2月18日 申请日期2008年10月8日 优先权日2008年10月8日
发明者高鸿奕 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所