CN106094092A - 一种用于相差显微镜的相位板 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于相差显微镜的相位板，该相位板在玻璃基板(1)上涂有一圈环形薄膜层(2)，环形薄膜层(2)包括直接涂在玻璃基板(1)上面的底层(5)、夹层(6)与表层(7)，夹层(6)为MgF2层；底层(5)与表层(7)为材料相同的金属膜层，该金属膜层的材料为金属Cr、Nb、Ti、Ni中的其中一种；该相位板具有改变位相与吸收光束等多重作用，具有宽波段相位变化小，使经过它的波长在450nm‑700nm范围内的宽波段光束相位值均为‑90°左右，在宽波段光源下可直接使用；并且该相位板膜层结构简单，便于制造。

Description

一种用于相差显微镜的相位板
技术领域
本发明涉及一种用于相差显微镜的相位板，尤其是相位板的相位吸收膜。
背景技术
人的眼睛只能鉴别可见光的波长（颜色）和振幅的变化，不能鉴别相位的变化。但是大多数生物标本高度透明，光波通过后振幅基本不变，却存在相位的变化，人的眼睛感觉不到。活细胞样品和未染色标本由于光的波长和振幅不发生变化，所以人眼无法直接观测，但是光线透过样品的相位却发生了变化，因此可以利用光的干涉与衍射效应把透过样品不同部位的光的光程差转变为振幅差，使细胞内的各种结构之间清晰可见。光程差转变为振幅差的关键部件就是相称环部件，光通过细胞时，细胞会产生1/4λ的相位延迟（即相位为-90度），随后再通过涂有相位吸收薄膜的相位板时，如果使相位吸收薄膜也具有-1/4λ的相位差，则产生了1/2λ的相位差，根据干涉定理，在1/2λ（180°）的相位差下，通过透明的细胞的光线和通过相称环的光线发生相抵消的干涉，从而使细胞与周围的物质形成暗反差，从而被清晰的观察到。依据上述原理，荷兰科学家Zernike于1935年发明了相差显微镜，并由此获得1953年诺贝尔奖。相差显微镜主要用于观察活细胞，不染色的组织切片或缺少反差的染色标本。从结构上看，与一般显微镜不同之处在于：相差显微镜的聚光器具有环状光栏，物镜后焦面处设有相位板。相差显微镜是能将光通过物体时产生的相位差（或光程差）转变为振幅（光强度）变化的显微镜。相差显微镜也称作相称显微镜或相衬显微镜。
传统相位板的相位吸收薄膜需要在基板上镀不同的薄膜，有单层MgF2薄膜，以及用于吸收光线的单层Cr薄膜；具体如图1、图2所示，在基板1上面镀有环状的单层Cr薄膜12，该Cr薄膜用于吸收光线，也称作吸收环，在基板1上面的除了环状的单层Cr12薄膜以外的其它区域镀有单层MgF2薄膜11；单层MgF2薄膜与单层Cr12薄膜均是纳米级厚度的光学镀膜，单层Cr12薄膜明显比单层MgF2薄膜更薄。虽然单层MgF2可以改变相位（如负相称工艺），但单层MgF2膜仅能在某一特定波长形成-1/4λ相位差，不适合宽波段的光源，在使用宽波段光源时，对比度将会明显下降，因此必须在光源前增加一片特定波长的单色滤光片；但是滤光片的引入必然会导致光源能量的损失，造成视场的黯淡。另外，传统相位板的相位吸收薄膜由于其单层MgF2薄膜与单层Cr12薄膜之间形成具有高低落差的环状交界，环状交界处镀膜精度很难保证，导致制作工序流程长，成品率低，限制了加工效率，使得制造成本较高。
本发明正是为了解决上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，提供一种便于制造的用于相差显微镜的相位板，并使得透过该相位板的波长为450nm-700nm波段范围内的可见光具有相对固定的相位值。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种用于相差显微镜的相位板，包括玻璃基板(1)，其特征在于，所述玻璃基板(1)上涂有一圈环形薄膜层(2)，形成环形薄膜层(2)区，环形薄膜层(2)区内形成圆形完全透光区(3)，环形薄膜层(2)外形成环形完全透光区(4)；所述环形薄膜层(2)包括直接涂在玻璃基板(1)上面的底层(5)、涂在该底层(5)上面的夹层(6)与涂在夹层(6)上面的表层(7)；夹层(6)为MgF2层，底层(5)与表层(7)为材料相同的金属膜层，该金属膜层的材料为金属Cr、Nb、Ti、Ni中的其中一种。
所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为8nm 至12 nm，表层(7)的物理厚度为3 nm至6 nm，夹层(6)的物理厚度为80nm至120nm。
具体方案一：所述环形薄膜层(2)的底层(5)与表层(7)均为金属Cr膜层，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为8nm 至12 nm，表层(7)的物理厚度为3 nm至6 nm，所述夹层(6)的物理厚度为110nm至116nm。作为优选，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为10nm，表层(7)的物理厚度为4.12nm，夹层(6)的物理厚度为113.7nm。
具体方案二：所述环形薄膜层(2)的底层(5)与表层(7)均为金属Nb膜层，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为8nm 至12 nm，表层(7)的物理厚度为3.5 nm至6 nm，夹层(6)的物理厚度为80nm至90nm。作为优选，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为10nm，表层(7)的物理厚度为5nm，夹层(6)的物理厚度为86.63nm。
具体方案三：所述环形薄膜层(2)的底层(5)与表层(7)均为金属Ti膜层，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为8nm 至12 nm，表层(7)的物理厚度为3.5 nm至6 nm，夹层(6)的物理厚度为95nm至105nm。作为优选，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为10nm，表层(7)的物理厚度为5nm，夹层(6)的物理厚度为100.39nm。
具体方案四：所述环形薄膜层(2)的底层(5)与表层(7)均为金属Ni膜层，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为1nm 至3nm，表层(7)的物理厚度为1nm至3 nm，夹层(6)的物理厚度为98nm至108nm。作为优选，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为2 nm，表层(7)的物理厚度为2nm，夹层(6)的物理厚度为102.39nm。
以上各方案中，所述玻璃基板(1)均以采用N-BK7基板为适宜。
一种相差显微镜，其特征在于，其物镜中配置有如上各方案所述的相位板。
本发明将相位膜与吸收膜通过膜系优化设计整合起来，开发出一种多层相位吸收膜的相位板，该多层相位吸收膜是一种金属介质多层薄膜，具有改变位相与吸收光束等多重作用，该相位吸收膜具有宽波段相位变化小，使经过它的波长在450nm-700nm范围内的宽波段光束相位值均为-90°左右，在宽波段光源下可以直接使用，可以达到和单波长下相同的对比度，同时具有透过率与吸收稳定、表面剩余反射小等优点；由于本发明相位吸收膜对波长为450nm-700nm的宽波段光束具有相对固定的相位值，因此不再需要550nm的带通滤光片对宽波段光源进行滤光，大大减小550nm带通滤光片导致的光源能量衰减，使得系统成像效果明显改善。并且，相对于传统相位板的相位吸收薄膜，由于本发明相位板的相位吸收膜仅为涂在玻璃基板上面的一圈环形薄膜层，没有传统相位板的相位吸收薄膜单层MgF2薄膜与单层Cr12薄膜之间形成的具有高低落差的环状交界；本发明环形薄膜层虽为多层膜，但只是在同一环形区域多次镀膜而已，在镀膜工艺上容易实施；镀膜工艺流程也可大大缩短，镀膜工艺稳定，合格率也大大提升。
附图说明
图1为传统相位板的相位吸收膜剖面结构示意图；
图2为传统相位板的相位吸收膜平面布局示意图；
图3为本发明相位板的相位吸收膜剖面结构示意图；
图4为本发明相位板的相位吸收膜膜层组成结构示意图；
图5为本发明相位板的相位吸收膜平面布局示意图；
图6为本发明相位板的相位吸收膜的底层(5)与表层(7)均采用金属Cr膜层时，经过它的波长为450nm-700nm的宽波段光束的相位值曲线图；
图7为图6情形相应的光束透过率曲线图；
图8为图6情形相应的光束反射率曲线图；
图9为本发明相位板的相位吸收膜的底层(5)与表层(7)均采用金属Nb膜层时，经过它的波长为450nm-700nm的宽波段光束的相位值曲线图；
图10为本发明相位板的相位吸收膜的底层(5)与表层(7)均采用金属Ti膜层时，经过它的波长为450nm-700nm的宽波段光束的相位值曲线图；
图11为本发明相位板的相位吸收膜的底层(5)与表层(7)均采用金属Ni膜层时，经过它的波长为450nm-700nm的宽波段光束的相位值曲线图；
图12为波长为450nm-700nm的宽波段光束经过本发明各实施例相位板及传统相位板时相位值比较曲线图。
由于相位吸收膜为纳米级厚度的光学镀膜，故图1、图3、图4均为纵向放大图。
具体实施方式
以下以图3至图12所示详细说明本发明的具体实施方式。
如图3、图5所示，一种用于相差显微镜的相位板，包括玻璃基板1，玻璃基板1可选用为N-BK7基板。玻璃基板1上面涂有一圈环形薄膜层2，形成环形薄膜层2区，环形薄膜层2区内形成圆形完全透光区3，环形薄膜层2外形成环形完全透光区4，如图5所示。该环形薄膜层2就是本发明相位板的相位吸收膜。该环形薄膜层2包括直接涂在玻璃基板1上面的底层5、涂在该底层5上面的夹层6与涂在夹层6上面的表层7，夹层6为MgF2层，具体如图4所示；底层5与表层7均为金属Cr膜层，或底层5与表层7均为金属Nb膜层，或底层5与表层7均为金属Ti膜层，或底层5与表层7均为金属Ni膜层。具体可分为以下三种方式实施。
实施例一
玻璃基板1选用为N-BK7基板。环形薄膜层2的底层5与表层7均为金属Cr膜层，环形薄膜层2的底层5的物理厚度为8nm 至12 nm，表层7的物理厚度为3 nm至5.5 nm，夹层6也就是MgF2层的物理厚度为110nm至116nm。优选值：环形薄膜层2的底层5的物理厚度为10nm，表层7的物理厚度为4.12nm，夹层6的物理厚度为113.7nm。
均为金属Cr膜层的环形薄膜层2的底层5与表层7与MgF2层的夹层6的物理厚度均为优选值时，经过它的波长为450nm-700nm的宽波段光束的相位值分布如图6所示，光束透过率分布如图7所示，光束反射率分布如图8所示。
实施例二
玻璃基板1选用为N-BK7基板。环形薄膜层2的底层5与表层7均为金属Nb膜层，环形薄膜层2的底层5的物理厚度为8nm 至12 nm，表层7的物理厚度为3.5 nm至6nm，夹层6也就是MgF2层的物理厚度为80nm至90nm。优选值：环形薄膜层2的底层5的物理厚度为10nm，表层7的物理厚度为5nm，夹层6的物理厚度为86.63nm。
均为金属Nb膜层的环形薄膜层2的底层5与表层7与MgF2层的夹层6的物理厚度均为优选值时，经过它的波长为450nm-700nm的宽波段光束的相位值分布如图9所示。
实施例三
玻璃基板1选用为N-BK7基板。环形薄膜层2的底层5与表层7均为金属Ti膜层，环形薄膜层2的底层5的物理厚度为8nm 至12 nm，表层7的物理厚度为3.5 nm至6nm，夹层6也就是MgF2层的物理厚度为95nm至105nm。优选值：环形薄膜层2的底层5的物理厚度为10nm，表层7的物理厚度为5nm，夹层6的物理厚度为100.39nm。
均为金属Ti膜层的环形薄膜层2的底层5与表层7与MgF2层的夹层6的物理厚度均为优选值时，经过它的波长为450nm-700nm的宽波段光束的相位值分布如图10所示。
实施例四
玻璃基板1选用为N-BK7基板。环形薄膜层2的底层5与表层7均为金属Ni膜层，环形薄膜层2的底层5的物理厚度为1nm 至3 nm，表层7的物理厚度为1 nm至3nm，夹层6也就是MgF2层的物理厚度为98nm至108nm。优选值：环形薄膜层2的底层5的物理厚度为2nm，表层7的物理厚度为2nm，夹层6的物理厚度为102.39nm。
均为金属Ni膜层的环形薄膜层2的底层5与表层7与MgF2层的夹层6的物理厚度均为优选值时，经过它的波长为450nm-700nm的宽波段光束的相位值分布如图11所示。
将以上各实施例以及采用单层MgF2薄膜的传统相位板的技术效果相互比较如下：
以下表一为采用以上各实施例相位板以及采用单层MgF2薄膜的传统相位板的相位值比较，各自的薄膜层物理厚度均采用各自的优选值，透过光束均为波长为450nm-700nm的宽波段光束。
表一
波长为450nm-700nm的宽波段光束经过本发明各实施例相位板及传统相位板时相位值比较还可参见图12。由图12及上表一可以看出，采用Cr/MgF2/Cr膜层的实施例一的相位板具有最为平坦的曲线，效果最好；该位相吸收膜明显比传统单层MgF2膜的相位板以及其他金属膜相位板的位相更加平整，可以直接使用宽波段光源工作，而传统单层MgF2膜的相位板仅仅在550nm处附近为-90度（-1/4λ），所以必须在光源处使用550nm带通滤光片进行滤光。
相对于传统相位板的相位吸收薄膜，由于本发明各实施例相位板的相位吸收膜仅为涂在玻璃基板上面的一圈环形薄膜层，没有传统相位板的相位吸收薄膜中单层MgF2薄膜与单层Cr12薄膜之间形成的具有高低落差的环状交界；本发明环形薄膜层虽为多层膜，但只是在同一环形区域多次镀膜而已，在镀膜工艺上容易实施；镀膜工艺流程也可大大缩短，镀膜工艺稳定，合格率也大大提升。采用Cr/MgF2/Cr膜层的实施例一的相位板不但技术效果特别好，而且便于制造。实施例二、实施例三、实施例四的相位板也能达到传统相位板相同的功能，完成可以代替传统相位板使用。虽然在它们在使用性能效果上没有大的突破，但是由于其膜层结构的简化，同样使得其制造变得方便容易，解决了传统相位板长期以来制造难度大的问题。

Claims (10)

1.一种用于相差显微镜的相位板，包括玻璃基板(1)，其特征在于，所述玻璃基板(1)上涂有一圈环形薄膜层(2)，形成环形薄膜层(2)区，环形薄膜层(2)区内形成圆形完全透光区(3)，环形薄膜层(2)外形成环形完全透光区(4)；所述环形薄膜层(2)包括直接涂在玻璃基板(1)上面的底层(5)、涂在该底层(5)上面的夹层(6)与涂在夹层(6)上面的表层(7)；夹层(6)为MgF2层，底层(5)与表层(7)为材料相同的金属膜层，该金属膜层的材料为金属Cr、Nb、Ti、Ni中的其中一种。
2.如权利要求1所述的相位板，其特征在于，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为8nm 至12 nm，表层(7)的物理厚度为3 nm至6 nm，夹层(6)的物理厚度为80nm至120nm。
3.如权利要求2所述的相位板，其特征在于，所述环形薄膜层(2)的底层(5)与表层(7)均为金属Cr膜层，所述夹层(6)的物理厚度为110nm至116nm。
4.如权利要求3所述的相位板，其特征在于，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为10nm，表层(7)的物理厚度为4.12nm，夹层(6)的物理厚度为113.7nm。
5.如权利要求2所述的相位板，其特征在于，所述环形薄膜层(2)的底层(5)与表层(7)均为金属Nb膜层，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为10nm，表层(7)的物理厚度为5nm，夹层(6)的物理厚度为86.63nm。
6.如权利要求2所述的相位板，其特征在于，所述环形薄膜层(2)的底层(5)与表层(7)均为金属Ti膜层，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为10nm，表层(7)的物理厚度为5nm，夹层(6)的物理厚度为100.39nm。
7.如权利要求1所述的相位板，其特征在于，所述环形薄膜层(2)的底层(5)与表层(7)均为金属Ni膜层，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为1nm 至3nm，表层(7)的物理厚度为1nm至3 nm，夹层(6)的物理厚度为98nm至108nm。
8.如权利要求7所述的相位板，其特征在于，所述环形薄膜层(2)的底层(5)的物理厚度为2 nm，表层(7)的物理厚度为2nm，夹层(6)的物理厚度为102.39nm。
9.如权利要求1至8任一项所述的相位板，其特征在于，所述玻璃基板(1)为N-BK7基板。
10.一种相差显微镜，其特征在于，其物镜中配置有如权利要求9所述的相位板。
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