CN108303020B - 一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜 - Google Patents

Abstract

一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，包括：用于生成测量光束的光束调整及耦合单元；用于接收测量光束以形成相应成像光束和第一调整剪切相移正交偏振光的相移微分干涉显微镜单元；用于接收测量光束，并形成相应成像光束的相移数字全息显微镜单元；用于接收第一调整剪切相移正交偏振光，并输出相应成像光束的普通显微镜成像组件；用于控制形成成像光束，并对成像光束进行相位计算和分析以获取相位计算和分析的结果的控制分析单元。可见，实施本发明实施例可以提高对微小透明样品实时三维动态相位测量的准确度，为细胞、微流场和微器件研究及相关的工程应用提供一种新的定量测量手段。

Description

一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜

技术领域

本发明涉及显微镜技术领域，具体涉及一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜。

背景技术

显微技术以成像和定量测量方式提供了微小尺度样品的二维和三维观测手段(横向分辨率为纳米到微米量级)，其中，不同显微技术在分辨率、样品制备要求、测量技术与精度、成像方法等各方面至少存在一种不同，从而使得显微技术在科技发展的各领域中发挥了至关重要甚至不可取代的作用。

从各大类显微技术来看，扫描电子显微镜(SEM)的横向分辨率达到0.2纳米，但它需要在真空条件下，要求样品具有导电性，难以对样品进行动态实时测量，也不能对活细胞状态进行监测，限制了其应用条件和范围；原子力显微镜(AFM)的横向分辨率及纵向测量精度均可达到1纳米，但原子力显微镜(AFM)只能获取样品的表面形貌，不能测量样品的内部信息；近场扫描光学显微镜(NSOM)的横向分辨率为数十纳米，纵向分辨率也可以达到纳米量级，但近场扫描光学显微镜(NSOM)需要通过扫描成像，不能实现样品动态信息的实时测量；光学显微镜(OM)的横向分辨率为数百纳米量级，但由于具有对样品无接触、非破坏、非干预、全场性非扫描同时成像的特点，而且还拥有技术和产品系列化的优势，使得光学显微镜(OM)体现出了使用方便、价格便宜、应用范围广等突出优点，因而一直以来不断有显微镜的新应用和新型显微镜系统出现。

光学显微技术最重要的应用领域之一是生命科学领域，该领域涵盖了分子生物学、细胞生物学、生物组织、器官、临床检测与诊断等诸多学科。为满足生命科学研究和应用发展的要求，提高样品部分(染色及荧光标记)或整体(相衬)的可测量对比度、突破观测中的衍射极限限制、厚样品的分层分析(层析)、功能拓展(如显微光谱、显微拉曼光谱)一直是光学显微技术发展和应用的主要目标。将荧光标记与显微技术相结合，使之形成一类以荧光标记为基础的显微技术，从而在一定程度上实现了以上目标；而另一方面，干涉显微技术也在不断地快速发展，基于干涉显微技术的干涉显微镜可以对反射或透明物体实现三维测量，并进一步划分为非相干光扫描显微镜和光学相位测量显微镜两种。

作为一种干涉显微镜，光学相位测量显微镜将显微技术、干涉技术和相位测量技术三者相结合，从而形成了一种新型高精度显微相位定量测量仪器。其方法是首先利用干涉原理将微小尺度样品对测量光波的相位调制解调成强度随调制相位低频变化的干涉条纹，通过相位测量技术进行二次解调制从干涉图中恢复出待测相位分布，继而分析和诠释引起相位变化的物理量和原因，从而实现对反射或透明样品的高精度三维测量。光学相位测量显微镜除了横向分辨率能达到λ/2、对样品无接触、非破坏、非干预、全场同时成像、测量快捷、使用方便、生物样品无需染色、容易与其他仪器联用等光学显微镜的优点外，还是唯一能够以纳米量级的高精度实现对相位(透明)物体纵向光程差动态实时定量测量的仪器，在相位(透明)物体测量中发挥着不可替代的作用。

新型光学相位测量显微镜的最重要特征，是具有相位的高精度定量测量功能。按照干涉条纹形成的方法和所测量到相位所表示内容的不同，光学相位测量显微镜可以分为三种：第一种是在传统显微镜技术上发展出的数字全息显微镜(DHM)；第二种是在微分干涉显微镜(DIC)基础上改进的微分干涉相位测量显微镜；第三种是在已有的相衬显微镜(PCM)基础上改进的相衬测量显微镜。新型光学相位测量显微镜中的数字全息显微镜(DHM)在1998年公开了相移数字全息显微镜，并在1999年公开了离轴数字全息显微镜，这两种显微镜的优势明显，并一直在不断改良并使用至今。其中，1998年公开的相移数字全息技术的优点是干涉图中的背景噪声消除比较彻底，测量精度不受干涉图条纹数量和分布的影响，既可用于同轴干涉测量，也可用于离轴干涉测量，测量精度很高。采用同轴干涉光路时还可以提高可测量的空间带宽积，从技术优势看，相移技术是数字全息显微镜中优先选用的相位测量技术。当然，相移技术也存在一些需要改进的问题，一是需要采用相移装置采集多幅相移干涉图，通常这些相移数字全息图通过时域相移(不同时刻采集不同相移量的干涉图)方法采集，难以用于样品动态过程的测量。而1999年公开的离轴数字全息显微镜是通过使参考光波与物光波形成一定夹角，记录具有空域载频的数字全息图，使得只需要一幅干涉图就可以使用傅里叶变换或希尔伯特变换计算出样品的相位，从而成为了动态测量中使用最方便和最普遍的技术。但是离轴数字全息的精度容易受干涉图中条纹数量、条纹分布和背景噪声影响，所加入的空域载频也会影响样品高频信息的测量。

最近，发展了两种共路干涉数字全息显微镜，一种被称为傅里叶相位显微镜(FPM)，另外一种被称为衍射相位显微镜(DPM)。这两种共路数字全息显微镜最大优点是系统极为简单，只需在普通显微镜上添加附件即可，但是由于其参考光波也通过了样品，结果都只记录了高频相位信息，损失了重要的低频调制信息，虽然观察效果非常好，但不利于对结果的诠释和物理量的测量。2003年以来，Shribak等陆续报道了一种可变液晶相位调制器件与渥拉斯通棱镜(或Nomarski棱镜)结合的独立取向微分干涉相位测量显微镜(OI-DIC)。其特点是不用机械元件就可以实现两个方向的光束的剪切和相移。这种方法的不足，一是剪切量仍需要机械手工调节；二是多采用了一套光束剪切组件；三是要经过多步相移；四是光束要通过一次起偏器和一次检偏器，能量和信息利用率低；五是采用会聚光照明，不利于测量结果的诠释。

Zahreddine等报道了一种完全采用液晶相位延迟器件的全液晶微分干涉相位测量显微镜。这种全液晶微分干涉相位测量显微镜几乎克服了微分干涉显微镜测量的所有缺点，但是同样存在多采用了一套光束剪切组件、要经过多步相移、能量和信息利用率低、会聚光照明不利于测量结果的诠释的不足。

Fu等人2010年报道了一种用普通显微镜成像后，在像方通过正交光栅衍射，零级衍射光与一级衍射光干涉形成相互垂直方位离轴剪切微分干涉相位测量显微技术，这种方法的优点是只在像方进行剪切，技术简单，但是调整剪切量和剪切方向比较困难，更大的问题是两个剪切像面之间存在的倾斜，使得所测量到的相位并非一般意义上的剪切相位。Miccio等提出一种直接采用数字全息显微镜测量的相位错位相减实现剪切测量的方法，但是这种方法只适用于大剪切量时的测量，不适用于像方剪切量小于图像传感器一个像素间隔的情况。

综上所述，现有的显微镜技术与显微镜皆存在或多或少的不足，使得现有的显微镜技术与显微镜无法实现对微小透明样品的高精度实时动态相位测量。

发明内容

本发明实施例公开一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，该显微镜是通过正交偏振光干涉双通道相移测量实现样品相位和剪切相位同时测量的新型相位测量显微镜，从而提高微小透明样品的实时三维动态相位测量的准确度，为细胞、微流场和微器件研究及相关的工程应用提供一种新的定量测量手段。

本发明实施例公开了一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，所述数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜包括光束调整及耦合单元、双通道相移微分干涉显微镜单元、普通显微成像组件、双通道相移数字全息显微镜单元以及控制分析单元，其中：

所述光束调整及耦合单元，用于将所述光束调整及耦合单元包括的激光器输出的线偏振光转换为扩束滤波准直后的正交偏振光，并将所述扩束滤波准直后的正交偏振光耦合输出至所述相移微分干涉显微镜单元和所述相移数字全息显微镜单元；所述扩束滤波准直后的正交偏振光包括偏振方向位于入射面内的面内偏振光和偏振方向垂直于入射面的垂直偏振光；

所述相移微分干涉显微镜单元，用于接收所述光束调整及耦合单元耦合输出的所述扩束滤波准直后的正交偏振光，根据所述控制分析单元的控制对所述扩束滤波准直后的正交偏振光进行第一光处理以形成像面位于所述相移微分干涉显微镜单元的两个电荷耦合元件表面的成像光束，根据所述控制分析单元的控制对所述扩束滤波准直后的正交偏振光进行第三光处理以形成第一调整剪切相移正交偏振光，并将所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光输出至所述普通显微成像组件中；

所述普通显微成像组件，用于接收所述相移微分干涉显微镜单元输出的所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光，并根据所述控制分析单元的控制对所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光进行第四光处理以形成像面位于所述普通显微成像组件的一个电荷耦合元件表面的成像光束；

所述相移数字全息显微镜单元，用于接收所述光束调整及耦合单元耦合输出的所述扩束滤波准直后的正交偏振光，并根据所述控制分析单元的控制对所述扩束滤波准直后的正交偏振光进行第二光处理以形成像面位于所述相移数字全息显微镜单元的两个电荷耦合元件表面的成像光束；

所述控制分析单元，用于控制所述相移微分干涉显微镜单元和所述相移数字全息显微镜单元对所述扩束滤波准直后的正交偏振光进行光处理，控制所述普通显微成像组件对所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光包括的垂直偏振光进行光处理；

所述控制分析单元，还用于控制所述相移微分干涉显微镜单元采集和显示所述像面位于所述相移微分干涉显微镜单元的两个电荷耦合元件表面的成像光束，控制所述普通显微成像组件采集和显示所述像面位于所述普通显微成像组件的一个电荷耦合元件表面的成像光束，控制所述相移数字全息显微镜单元采集和显示所述像面位于所述相移数字全息显微镜单元的两个电荷耦合元件表面的成像光束，并显示成像光束形成的相移数字全息干涉图、相移微分剪切干涉图以及显微像，并对所述相移数字全息干涉图和所述相移微分剪切干涉图进行相位计算和分析，得到相位计算和分析的结果。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例中，提供了一种具有光束调整及耦合单元、相移微分干涉显微镜单元、相移数字全息显微镜单元以及控制分析单元四个单元的一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其中光束调整及耦合单元输出测量光束，使得相移微分干涉显微镜单元和相移数字全息显微镜单元可以接收测量光束，并通过控制分析单元的控制对测量光束进行相应的光处理，得到相应的成像光束，同时，控制分析单元还用于接收相应的成像光束并对成像光束进行分析，从而得到有用的分析结果。可见，实施本发明实施例可以提供一种通过正交偏振光干涉实现双通道相移测量的新型相位测量显微镜，从而提高了微小透明样品实时三维动态相位测量的准确度，为细胞、微流场和微器件研究及相关的工程应用提供一种新的定量测量手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中包括的技术产品与技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜的结构示意图；

图2是图1的103处的局部细化图；

图3是本发明实施例公开的另一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜的实体结构示意图；

图4是本发明实施例公开的另一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜的结构示意图；

图5是本发明实施例公开的另一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜的实体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中包括的技术产品与技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例公开一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，能够通过正交偏振光干涉实现双通道相移测量的新型相位测量显微镜，从而提高微小透明样品的实时三维动态相位测量的准确度，为细胞、微流场和微器件研究及相关的工程应用提供一种新的定量测量手段。以下分别进行详细说明。

实施例一

请参阅图1，图1是本发明实施例公开的一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜的结构示意图，请一并参阅图2，图2是图1的103出的局部细化图。如图1与图2所示，该数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜可以包括光束调整及耦合单元101、相移微分干涉显微镜单元102、相移数字全息显微镜单元103、控制分析单元104以及普通显微成像组件105，其中：

光束调整及耦合单元101，用于将光束调整及耦合单元101包括的激光器输出的线偏振光转换为扩束滤波准直后的正交偏振光，并将该扩束滤波准直后的正交偏振光耦合输出至相移微分干涉显微镜单元102和相移数字全息显微镜单元103。

作为一种可选的实施方式，光束调整及耦合单元101可以包括激光器1011，衰减与光束比调整组件1012，扩束滤波准直组件1013以及偏转耦合器1014。

作为一种可选的实施方式，数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，衰减与光束比调整组件1012可以包括第一半波片10121、第一偏振分光棱镜10122以及第二半波片10123。

本发明实施例中，扩束滤波准直后的正交偏振光包括垂直偏振光和面内偏振光，上述面内偏振光的偏振面与上述激光器输出的上述线偏振光的偏振面相同，上述垂直偏振光的偏振面与上述面内偏振光的偏振面垂直。

本发明实施例中，面内偏振光的偏振面皆与上述激光器输出的上述线偏振光的偏振面相同，垂直偏振光为偏振面与面内偏振光的偏振面相互垂直的偏振光。

本发明实施例中，对光束调整及耦合单元101将扩束滤波准直后的正交偏振光耦合输出至相移微分干涉显微镜单元102和相移数字全息显微镜单元103的方式不做限定，举例来说，光束调整及耦合单元101可以将输出的扩束滤波准直后的正交偏振光经过光分束器得到完全相同的两束光束，并将两束光束分别输出至相移微分干涉显微镜单元102和相移数字全息显微镜单元103中。

相移微分干涉显微镜单元102，用于接收光束调整及耦合单元101耦合输出的扩束滤波准直后的正交偏振光，根据控制分析单元104的控制对扩束滤波准直后的正交偏振光进行第一光处理以形成像面位于相移微分干涉显微镜单元102的两个电荷耦合元件表面的成像光束，根据控制分析单元104的控制对扩束滤波准直后的正交偏振光进行第三光处理以形成第一调整剪切相移正交偏振光，并将第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光输出至普通显微成像组件105中。

作为一种可选的实施方式，相移微分干涉显微镜单元102可以包括微分干涉偏振分光棱镜1021、微分干涉半波片1022、微分干涉液晶可调相位延迟器1023、微分干涉反射镜1024、微分干涉显微成像系统1025、微分干涉液晶微分剪切组件1026、微分干涉4f成像调整组件1027、微分干涉显微镜功能分配组件1028以及相移微分干涉双通道图像采集组件1029。

本发明实施例中，相移微分干涉显微镜单元102形成的成像光束为两束，这两束成像光束形成于相移微分双通道图像采集组件，并进一步形成两幅相移微分剪切干涉图。

本发明实施例中，第一光处理和第三光处理都可以包括对光的偏振处理、分束处理、偏移处理等处理方式，对于具体的光处理方式，本发明实施例不做限定。

本发明实施例中，微分干涉半波片1022的倾斜角度为22.5度角(该角度是由微分干涉半波片的光轴与水平面进行比较得出的)，从而使得微分干涉半波片1022输出指定要求的正交偏振光(指定要求的正交偏振光为至少包括两束互相垂直的光分量的偏振光束)，其中，微分干涉半波片1022的倾斜角度还可以被操作员进一步调整。

本发明实施例中，微分干涉显微成像系统1025可以接收控制分析单元104的控制，并在控制分析单元104的控制下可以实现纳米量级的高精度电控聚焦及纵向、横向高精度电控扫描；其中，微分干涉显微成像系统1025包括样品台、显微物镜以及管透镜，其中管透镜和显微物镜配合使用，用于校准相差，并且没有距离的特别要求，其中，显微物镜是显微成像的核心部件，由于本发明实施里中的显微镜需要在像方安置许多光学元件，因此，本发明实施例拟选择成像无限远、与200毫米焦距管透镜配套的4倍至100倍系列显微物镜，一方面有利于后面光学元件的安排，另一方面因其像方孔径角和视场角比较小，也有利于抑制不同角度光线通过偏振光学元件引起的延迟误差和像差。

作为一种可选的实施方式，微分干涉液晶微分剪切组件1026可以包括第二微分干涉液晶可调相位延迟器10261、第四微分干涉半波片10262、第三微分干涉液晶可调相位延迟器10263、微分干涉偏移补偿器10264，其中：

第二微分干涉液晶可调相位延迟器10261，用于接收微分干涉显微成像系统1025输出的第一成像光束，并在垂直平面上平移第一成像光束包括的面内偏振光和第一成像光束包括的垂直偏振光，得到第一平移面内偏振光和第一平移垂直偏振光；其中，第一平移面内偏振光的平移量大于第一平移垂直偏振光的偏移量，第二微分干涉液晶可调相位延迟器10261的法线与第一成像光束的传输方向成45度角，第二微分干涉液晶可调相位延迟器10261的入射面为第一入射面，该第一入射面位于上述垂直平面，上述第二微分干涉液晶可调相位延迟器10261的光轴与第一入射面垂直，其中上述垂直平面为垂直偏振光所在的平面。

第四微分干涉半波片10262，用于接收第二微分干涉液晶可调相位延迟器10261平移得到的第一平移面内偏振光和第一平移垂直偏振光，并互换第一平移面内偏振光和第一平移垂直偏振光的偏振方向，得到并输出第二平移面内偏振光和第二平移垂直偏振光。

第三微分干涉液晶可调相位延迟器10263，用于接收第四微分干涉半波片10262输出的第二平移面内偏振光和第二平移垂直偏振光，并在面内平面上平移第二平移面内偏振光和第二平移垂直偏振光，得到第三平移面内偏振光和第三平移垂直偏振光，其中，第三平移垂直偏振光的平移量大于第三平移面内偏振光的偏移量；其中，第三平移垂直偏振光和第三平移面内偏振光组合形成第一平移剪切相移正交偏振光，第三微分干涉液晶可调相位延迟器10263的法线与第一成像光束的传输方向成45度角，第三微分干涉液晶可调相位延迟器10263的入射面为第二入射面，该第二入射面位于上述面内平面，第三微分干涉液晶可调相位延迟器10263的光轴与第二入射面垂直，其中上述面内平面为面内偏振光所在的平面，其中，第三平移垂直偏振光是由第一平移面内偏振光变换得到的，第三平移面内偏振光是由第一平移垂直偏振光变换得到的。

微分干涉偏移补偿器10264，用于接收第三微分干涉液晶可调相位延迟器10263平移得到的第一平移剪切相移正交偏振光，平移第一平移剪切相移正交偏振光得到第一剪切相移正交偏振光，并输出上述第一剪切相移正交偏振光，其中，第一平移剪切相移正交偏振光的平移方向和平移量是第三平移面内偏振光的中心恢复到第一成像光束的光轴的平移方向和平移量。

本发明实施例中，微分干涉4f成像调整组件1027由两个透镜组成，其摆放在微分剪切组件后面，用于成像，对目前已知的情况计算和测量，目前的液晶可变延迟器件能实现的最大剪切量只有3微米左右，使用100倍的显微物镜和焦距200毫米管透镜时，等效至样品上只有0.03微米(约为λ/20)，这就造成了两个需要解决的问题，一是最大剪切量没有达到微分干涉显微镜通常需要的λ/4，二是像方剪切量没有达到所选用的电荷耦合元件像素间距(5微米)，对于上述的两个问题，解决的方法有两个，一是增加液晶可变延迟器件的剪切量，二是在使用原物镜的前提下通过管透镜的选择降低像方放大倍率。为了兼顾降低放大倍率和像差要求，本发明实施例中，选择管透镜的焦距ft＝100毫米，在降低像方放大倍率的同时，还减小了成像光束的横向尺寸，有利于减小液晶可调相位延迟器孔径(上述管透镜为相移微分显微成像系统1025中包括的管透镜)，微分干涉4f成像调整组件1027中第一透镜的焦距与管透镜相同，并与管透镜反向对称安装，有利于像差的校正，微分干涉4f成像调整组件1027中第二透镜的焦距与显微物镜配套的管透镜相同，为fi＝200毫米，这样既恢复了原有的放大倍率，又便于后面零件和元件的安装(其中，显微物镜为微分干涉显微成像系统1025中包括的显微物镜)。由于改变了与显微物镜配套的管透镜，在管透镜后还有微分干涉液晶微分剪切组件1026，需要根据液晶可调相位延迟器的尺寸对管透镜进行设计和加工，同样因微分干涉4f成像调整组件1027后有微分干涉显微镜功能分配组件1028，必要时也需要对微分干涉4f成像调整组件1027中第二透镜进行设计加工，其中λ为激光波长。

作为一种可选的实施方式，数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，微分干涉显微镜功能分配组件1028可以包括第一微分干涉非偏振分光棱镜10281、第三微分干涉偏振分光棱镜10282以及第二微分干涉光程补偿器10283。

作为一种可选的实施方式，数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，相移微分干涉双通道图像采集组件1029可以包括第二四分之一波片10291、第三非偏振分光棱镜10292、第三电荷耦合元件10293、第四电荷耦合元件10294、第三偏振片10295以及第四偏振片10296，其中：

第二四分之一波片10291，用于接收微分干涉显微镜功能分配组件1028输出的补偿剪切相移正交偏振光，将补偿剪切相移正交偏振光中所包含的剪切光和非剪切光叠加，并输出相移微分干涉光；其中，补偿剪切相移正交偏振光为椭圆偏振光。

第三非偏振分光棱镜10292，用于接收第二四分之一波片10291输出的相移微分干涉光，并透射相移微分干涉光为第二透射相移微分干涉光，反射相移微分干涉光为第二反射相移微分干涉光。

第三偏振片10295，用于接收第三非偏振分光棱镜10292透射的第二透射相移微分干涉光，并对第二透射相移微分干涉光进行偏振处理，得到第三成像偏振光，并输出上述第三成像偏振光。

第三电荷耦合元件10293，用于接收第三偏振片10295输出的第三成像偏振光，形成位于第三电荷耦合元件10293表面的第三最终成像光束。

第四偏振片10296，用于接收第三非偏振分光棱镜10292反射的第二反射相移微分干涉光，并对第二反射相移微分干涉光进行偏振处理，得到第四成像偏振光，并输出上述第四成像偏振光。

第四电荷耦合元件10294，用于接收第四偏振片10296输出的第四成像偏振光，形成位于第四电荷耦合元件10294表面的第四最终成像光束。

在本发明实施例中，第三非偏振分光棱镜10292、第三偏振片10295和第四偏振片10296的作用是将相移微分干涉光进行光束在两个方向上的分束，在进一步对分束后的光束进行偏振选取所需的偏振光，该方式可以随时改变偏振片的角度来对通过的光束进行多种方式的筛选，从而提高了相移微分干涉双通道图像采集组件采集的灵活性，提高了采集效率。

在本发明实施例中，第三非偏振分光棱镜10292、第三偏振片10295和第四偏振片10296可以被偏振分光棱镜替换，偏振分光棱镜可以起到对相移微分干涉光不同偏振面的透射与反射，从而达到所需效果，进而提高了采集效率，同时与原有设备相比，使用偏振分光棱镜替换得到的结构更加便捷，同时保证的光的强度与质量，从而提高了相移微分干涉双通道图像采集组件采集的质量。

相移数字全息显微镜单元103，用于接收光束调整及耦合单元101耦合输出的扩束滤波准直后的正交偏振光，并根据控制分析单元104的控制对扩束滤波准直后的正交偏振光进行第二光处理以形成像面位于相移数字全息显微镜单元103的两个电荷耦合元件表面的成像光束。

本发明实施例中，相移数字全息显微镜单元103形成的成像光束为两束，并且上述两束成像光束形成于数字全息双通道图像采集组件中，并进一步形成两幅相移数字全息干涉图。

作为一种可选的实施方式，相移数字全息显微镜单元103可以包括数字全息偏振分光棱镜1031、数字全息参考光组件1032、数字全息半波片1033、数字全息液晶可调相位延迟器1034、数字全息反射镜1035、数字全息显微成像系统1036、数字全息液晶微分剪切组件1037、数字全息4f成像调整组件1038、数字全息显微镜功能分配组件1039、相移数字全息双通道图像采集组件1030。

作为一种可选的实施方式，数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，数字全息参考光组件1032可以包括光扩束器10321、第四反射镜10322以及第一光程补偿器10323.

本发明实施例中，第二光处理可以包括对光的偏振处理、分束处理、偏移处理等处理方式，本发明实施例不做限定。

数字全息液晶微分剪切组件1037，用于接收数字全息显微成像系统1036输出的第二成像光束，并输出第二剪切相移正交偏振光；该第二剪切相移正交偏振光与上述第二成像光束相同。

作为一种可选的实施方式，数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，数字全息显微镜功能分配组件1039可以包括第一数字全息非偏振分光棱镜10391、第三数字全息偏振分光棱镜10392以及第二数字全息光程补偿器10393。

作为一种可选的实施方式，相移数字全息双通道图像采集组件1030包括第一四分之一波片10301、第二非偏振分光棱镜10302、第一电荷耦合元件10303、第二电荷耦合元件10304、第一偏振片10305以及第二偏振片10306，其中：

第一四分之一波片10301，用于接收数字全息显微镜功能分配组件1039输出的第二调整剪切相移正交偏振光和数字全息参考光，将第二调整剪切相移正交偏振光和数字全息参考光叠加，并输出相移数字全息光。

第二非偏振分光棱镜10302，用于接收第一四分之一波片10301输出的相移数字全息光，并透射相移数字全息光为第一透射相移数字全息光，反射相移数字全息光为第一反射相移数字全息光。

第一偏振片10305，用于接收第二非偏振分光棱镜10302透射的第一透射相移数字全息光，并对第一透射相移数字全息光进行偏振处理，得到第一成像偏振光，并输出上述第一成像偏振光。

第一电荷耦合元件10303，用于接收第一偏振片10305输出的第一成像偏振光，形成位于第一电荷耦合元件10303表面的第一最终成像光束。

第二偏振片10306，用于接收第二非偏振分光棱镜10302反射的第一反射相移数字全息光，并对第一反射相移数字全息光进行偏振处理，得到第二成像偏振光，并输出上述第二成像偏振光。

第二电荷耦合元件10304，用于接收第二偏振片10306输出的第二成像偏振光，形成位于第二电荷耦合元件10304表面的第二最终成像光束。

本发明实施例中，当液晶可调相位延迟器安装在平面波光路中时，可以通过相移量标定，使得液晶可调相位延迟器作为相移器使用，进一步采用相移量相移算法，使得测量结果即使出现一定的相移偏差，也不会对测量精度产生影响，在使用过程中也可以随时用本发明实施例中所描述的显微镜对液晶可调相位延迟器进行相移量标定，其中，标定精度可以达到0.01弧度(约1纳米)以内。

本发明实施例中，相移数字全息显微镜单元一般采用参考光光路与物光光路分离的非共路相位测量方法。其中，通过良好的显微镜机体和光学元件的稳固无应力固定可以有效解决短期稳定性问题，在本发明实施例所描述的显微镜中，还设计了自动稳定技术进行动态监测与补偿。同时，本发明实施例中，采用两次测量方法来解决系统像差的消除问题，在放置样品前先测量出系统的相位，然后再测量放入样品后的相位，二者相减即可消除系统的相位偏差。

相移数字全息显微镜采用两个电荷耦合元件(CCD)同时采集两幅相移量为0、π/2或0、π的空域相移干涉图。采用前一种方法时，通过液晶可调相位延迟器再进行一次π相移量的时域相移即可得到相移量为0、π/2、π、3π/2的四幅相移干涉图；采用后一种方法时，再进行一次相移量为π/2时域相移也得到相移量为0、π/2、π、3π/2的四幅相移干涉图，同时，通过相移算法即可计算出样品的相位。

另外，从有关文献和实验结果看，细胞的生长变化和对外界的应答时间约为秒～分钟量级，可测量的液滴及液面蒸发变化时间约为几十毫秒～几百毫秒量级，而液晶可变延迟相移器的响应时间为亚毫秒级，因此，采用双通道相移干涉测量技术可以在很大程度上实现动态测量。当样品变化极快时，可以在数字全息参考光路中用光束偏转位移及补偿组件替换光程补偿组件，进行离轴双通道相移数字全息显微相位测量，并将得到的两幅空域载频调制双通道相移干涉图相减消除背景，再利用傅里叶变换或希尔伯特变换法恢复相位，从而可以明显提高测量精度。

控制分析单元104，用于控制相移微分干涉显微镜单元102和相移数字全息显微镜单元103对扩束滤波准直后的正交偏振光进行光处理。

本发明实施例中，控制分析单元104可以通过传输电信号来控制相移微分干涉显微镜单元102和相移数字全息显微镜单元103，使得相移微分干涉显微镜单元102和相移数字全息显微镜单元103可以在接收电信号之后，根据电信号中包括的控制指令对扩束滤波准直后的正交偏振光进行相应的光处理。

控制分析单元104，还用于控制相移微分干涉显微镜单元102采集像面位于相移微分干涉显微镜单元102的三个电荷耦合元件表面的成像光束，控制相移数字全息显微镜单元103采集和显示像面位于相移数字全息显微镜单元103的两个电荷耦合元件表面的成像光束，并显示成像光束形成的相移数字全息干涉图、相移微分剪切干涉图以及显微像，并对上述相移数字全息干涉图和上述相移微分剪切干涉图进行相位计算和分析，得到相位计算和分析的结果。

本发明实施例中，控制分析单元104可以在计算出相应的相位结果之后，对相移数字全息干涉图和相移微分剪切干涉图进行图像分析得到图像分析结果，并且还可以对相位结果和图像分析结果做进一步的分析，得到最终分析结果，其中，最终分析结果至少包括误差分析结果和图像分析结果。

作为一种可选的实施方式，数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，控制分析单元104可以包括样品台控制系统1041、液晶可调相位延迟器相移及剪切控制系统1042、图像采集与显示系统1043、相位计算与分析系统1044。

普通显微成像组件105，用于接收相移微分干涉显微镜单元102输出的第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光，并根据控制分析单元104的控制对第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光进行第四光处理以形成像面位于所述普通显微成像组件的一个电荷耦合元件表面的成像光束。

作为一种可选的实施方式，数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，普通显微成像组件105可以包括第二反射镜1051、第三反射镜1052以及第五电荷耦合元件1053，其中：

第二反射镜1051，用于接收相移微分干涉显微镜单元102输出的第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光，并反射第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光，得到一次反射垂直偏振光。

第三反射镜1052，用于接收第二反射镜1051反射的一次反射垂直偏振光，并反射一次反射垂直偏振光，得到二次反射垂直偏振光。

第五电荷耦合元件1053，用于接收第三反射镜1052反射的二次反射垂直偏振光，形成第五最终成像光束。

本发明实施例中，普通显微成像组件105中反射镜的主要用途是反射光束，使得光束绕开障碍物。

本发明实施例中，成像光束可以形成明场像(显微像)，该明场像利用了双通道相移数字全息显微相位测量中多余的一束偏振光成像，可以采用彩色电荷耦合元件(CMOS)代替目镜进行样品明场像观察，同时进行明场像采集。

本发明实施例中，双通道相移微分显微镜采用共路干涉方法实现剪切相位的测量，其中，双通道相移技术可以精确地测量微分剪切相位，而剪切量和剪切方位角的标定需要在测量之前完成，并在完成之后将标定的控制电压写入程序，其中，在测量过程中根据剪切量和剪切方位角要求通过查表进行电压控制实现。为了及时发现和校正液晶器件性能漂移对测量的影响，本发明实施例中的显微镜还设置了自身检测和标定技术。同时，在进行高速变化过程测量时，利用所采集到的两幅相移量相差π/2的空域相移干涉图，通过两步相移算法可以得到较高精度的测量结果。

请一并参阅图3，图3是数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜的实体结构示意图。其中，在图3所示的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，可以包括光束调整及耦合单元、相移微分干涉显微镜单元、相移数字全息显微镜单元、普通显微成像组件以及控制分析单元。

在图3所示的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜的实体结构图中，偏振分光棱镜、半波片、液晶可调相位延迟器、反射镜、显微成像系统、液晶微分剪切组件、4f成像调整组件、显微镜功能分配组件在相移微分干涉显微镜单元和相移数字全息显微镜单元中都可以包括，在本发明实施例中，上述组件皆独立作用。

在图3所示的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，相移微分干涉显微镜单元在控制分析单元的控制下进行相应的光处理之后，得到相应的微分干涉成像光束，相移数字全息显微镜单元在控制分析单元的控制下进行相应的光处理之后，得到相应的数字全息成像光束，并在得到上述两种成像光束之后，控制分析单元进一步获取上述两种成像光束，并对上述两种成像光束进行相位计算和成像分析，从而完成定量测量；同时，普通显微成像组件在控制分析单元的额控制下，得到相应的显微像，从而便于直接观察。

本发明实施例中，数字全息与微分干涉相位测量显微术一体融合的双通道相移相位测量显微镜，可以用于微小透明样品相位和剪切相位的同时共位实时动态测量及明场像的观察，具体可以用于细胞、微流场、微器件等的相位测量与研究。该双通道相移相位测量显微镜以正交偏振光干涉和液晶可变延迟器件为基础，实现多功能快速高精度测量，用液晶相移器和仅用液晶微分剪切器件，实现相移量、剪切量和剪切方位角的无机械快速自动定量调整，结合双通道相移干涉测量技术与液晶器件、新相移算法以及离轴相位测量技术，实现高速高精度相位和剪切相位测量。并通过高精度双通道图像传感器匹配技术、剪切量标定技术和系统精度保障技术，得到双通道间纵横向匹配精度分别为10纳米和0.5微米、剪切精度10纳米，使得相位测量精度优于4纳米。该定量相位测量显微镜是一种超高精度测量仪器，在科学和应用研究中有不可替代的作用。

图1和图2所描述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜可以通过光束调整及耦合单元生成并调整测量所需的测量光束，并输出该测量光束至相移微分干涉显微镜单元和相移数字全息显微镜单元，当相移微分干涉显微镜单元和相移数字全息显微镜单元接收到上述测量光束时，相移微分干涉显微镜单元和相移数字全息显微镜单元在控制分析单元的控制下对上述测量光束进行相应的光处理，从而得到五束成像光束，并在得到五束成像光束之后，控制分析单元对其中四束成像光束进行相位计算和分析，进而得到相位计算和分析的结果。可见，实施图1和图2所描述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，可以生成测量所需要的光束，并对该光束进行相应的光处理，得到四束成像光束，同时，该数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜还可以对上述四束成像光束进行相位计算和分析，使得对微小透明样品的实时三维动态相位测量的精准度得到提高，并为细胞、微流场和微器件研究及相关的工程应用提供了一种新的定量测量手段。

图1和图2所描述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜是一种通过正交偏振光干涉实现双通道相移测量的新型相位测量显微镜，通过实施图1和图2所描述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，可以在研究和解决目前同类测量仪器和方法中存在问题的基础上，联用相移数字全息与微分干涉技术，可以解决透明样品的准确高精度三维动态测量问题。

实施例二

请参阅图4，图4是本发明实施例公开的另一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜的结构示意图。其中，图4所示的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜是由图1和图2所示的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜进行优化得到的。与图1和图2所示的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜相比，图4所示的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中，相移数字全息显微镜单元102和相移微分干涉显微镜单元103中具有相同功能或相同结构的组件和器件重叠共用；其中，相移数字全息显微镜单元102和相移微分干涉显微镜单元103中具有相同功能或相同结构的组件和器件重叠共用形成相移数字全息与微分干涉显微镜单元106，该相移数字全息与微分干涉显微镜单元106可以包括偏振分光棱镜1061、参考光组件1062、半波片1063、液晶可调相位延迟器1064、反射镜1065、显微成像系统1066、液晶微分剪切组件1067、4f成像调整组件1068、显微镜功能分配组件1069、新相移数字全息双通道图像采集组件106A以及新相移微分干涉双通道图像采集组件106B，其中：

偏振分光棱镜1061，用于接收光束调整及耦合单元101耦合输出的扩束滤波准直后的正交偏振光，反射扩束滤波准直后的正交偏振光包括的垂直偏振光，透射扩束滤波准直后的正交偏振光包括的面内偏振光。

本发明实施例中，偏振分光棱镜1061的功能与微分干涉偏振分光棱镜1021和数字全息偏振分光棱镜1031的功能相同，因此可以使用同一器件。

参考光组件1062，用于接收偏振分光棱镜1061反射的扩束滤波准直后的正交偏振光包括的垂直偏振光，并对反射的扩束滤波准直后的正交偏振光包括的垂直偏振光进行扩束、调整光传播方向与调整光程的操作，从而生成参考光，并输出参考光。

本发明实施例中，参考光组件1062可以包括光扩束器10621、第四反射镜10622以及第一光程补偿器10623，其中，参考光组件1062的功能与数字全息参考光组件1032的功能相同，对于具体功能本发明实施例中不做赘述。

半波片1063，接收偏振分光棱镜1061透射的面内偏振光，并输出第五正交偏振光。

本发明实施例中，半波片1063的功能与数字全息半波片1033和微分干涉半波片1022的功能相同，皆为接收面内偏振光输出正交偏振光，因此可以重叠共用同一器件。

液晶可调相位延迟器1064，用于接收半波片1063输出的第五正交偏振光和控制分析单元104施加的第三控制电压，并相移第五正交偏振光包括的垂直偏振光，从而形成第三相移正交偏振光，并输出第三相移正交偏振光。

本发明实施例中，液晶可调相位延迟器1064的功能与微分干涉液晶可调相位延迟器1023和数字全息液晶可调相位延迟器1034的功能相同，因此可以重叠共用同一器件。

本发明实施例中，第三相移正交偏振光包括液晶可调相位延迟器1064相移第五正交偏振光包括的垂直偏振光得到的偏振光和第五正交偏振光包括的面内偏振光。

本发明实施例中，液晶可调相位延迟器处于平面波光路中时，本发明实施例所描述的显微镜或操作员可以通过对液晶可调相位延迟器相移量标定，使液晶可调相位延迟器实现相移器的作用，并进一步采用相移量相移算法，使得测量精度得到提高，同时，即使出现一定的相移偏差，也不会对测量精度产生影响；另一方面，在液晶可调相位延迟器的使用过程中，操作员依然可以随时控制本发明实施例所描述的显微镜对液晶可调相位延迟期进行相移量标定，并且标定精度可以达到0.01弧度(约1纳米)以内。

反射镜1065，用于接收液晶可调相位延迟器1064输出的第三相移正交偏振光，并反射第三相移正交偏振光。

本发明实施例中，液晶可调相位延迟器1064的功能与微分干涉反射镜1024和数字全息反射镜1035的功能相同，因此可以重叠共用同一器件。

显微成像系统1066，用于接收反射镜1065反射的第三相移正交偏振光，通过显微成像系统1066内部的显微物镜和管透镜对反射的第三相移正交偏振光进行光变换，从而得到第三成像光束，并输出第三成像光束。

本发明实施例中，显微成像系统1066的功能与微分干涉显微成像系统1025和数字全息显微成像系统1036的功能相同，因此可以重叠共用同一器件。

液晶微分剪切组件1067，用于接收显微成像系统1066输出的第三成像光束，并对第三成像光束进行剪切互换偏转处理，得到第三剪切相移正交偏振光，并输出第三剪切相移正交偏振光。

本发明实施例中，液晶微分剪切组件1067可以包括第二液晶可调相位延迟器10671、第四半波片10672、第三液晶可调相位延迟器10673以及偏移补偿器10674，其中，液晶微分剪切组件1067的功能包括微分干涉液晶微分剪切组件1026的功能和数字全息液晶微分剪切组件1037的功能，同时微分剪切组件1067、微分干涉液晶微分剪切组件1026以及数字全息液晶微分剪切组件1037的结构相同，因此可以重叠共用同一器件。

本发明实施例中，液晶微分剪切组件1067作为像方液晶可变延迟器波面剪切组件，其原理为：正交偏振光通过法线与光束传输方向成45度角、入射面为第一入射面，该第一入射面位于垂直平面、光轴与第一入射面垂直的第二液晶可调相位延迟器10671后，面内偏振光和垂直偏振光都在垂直方向产生了一定平移，而且面内偏振光的平移量大于垂直偏振光的平移量，即二者之间在垂直方向上发生了剪切；通过法线与光束传输方向同向、光轴与垂直方向成45度角安置的第四半波片10672后，两束剪切光束的偏振方向发生了互换，再通过法线与光束传输方向成45度角、入射面为第二入射面，该第二入射面位于面内平面、光轴与第二入射面垂直的第三液晶可调相位延迟器10673后，两束剪切偏振光同时在面内方向产生平移和剪切，形成剪切量方位角随垂直方向和面内方向剪切量变化的正交偏振剪切光。通过改变两个液晶可调相位延迟器件上的控制电压大小，即可获得方位角、剪切量可调的正交剪切光，其中，垂直方向为垂直偏振面中与光束传输方向相垂直的方向，面内方向为面内偏振面中与光束传输方向相垂直的方向。另外，由于面内偏振光无论在第二液晶可调相位延迟器10671还是在第三液晶相位可调延迟器10673中都是寻常光，其平移量和平移方向与光束的剪切无关，因此，面内偏振光通过第三液晶可调相位延迟器10673后，可以通过偏移补偿器将其中心恢复到原来的光轴方向。

为了进一步说明仅用一组像方液晶可变延迟器实现光束剪切的原理和技术，将传统剪切原理与本发明实施例中提出的原理进行比较分析。传统微分干涉显微镜采用会聚光波照明样品，用有限远成像物镜成像，在物方和像方各采用了一个渥拉斯通棱镜，物方渥拉斯通棱镜用于产生剪切照明光，非常重要的是两束正交偏振剪切照明光变成了平行光，而剪切照明光所成的像是重合的，像方渥拉斯通棱镜的作用是使直透的剪切照明光重合，并使成像光束产生剪切，这样可以确保在照明光束为非平行光时，也有最佳观察效果。但是对于相位测量而言，如前文所述，会聚光波照明不利于样品相位信息的诠释。也就是说，传统微分干涉显微镜的剪切也是用像方渥拉斯通棱镜实现的，与物方渥拉斯通棱镜无关。本发明实施例中提出的仅用一组像方液晶可变延迟器实现光束剪切的方法的剪切结果与传统微分干涉显微镜的剪切也是用像方渥拉斯通棱镜实现的剪切结果。不同的是，本发明实施例中使用的方法是直透照明光波的像方光场和成像光波一起被剪切。从原理而言，因直透照明光波像方光场在成像面上是平面波，即使有剪切也不会影响测量精度，当该光波与平面波存在差异时，可以像数字全息中一样，通过有样品和无样品时测量的相位相减将其对测量结果的影响消除。

液晶可调相位延迟器实现光束剪切时还需要解决液晶层较薄使得剪切量不足的问题。根据本发明实施例中所描述的技术方案，用液晶可调相位延迟器计算和测量，最大剪切量能达到3微米，通过多个液晶可调相位延迟器串联和适当减小透镜的焦距，是可以达到传统微分干涉显微镜最大剪切量的。采用适当的液晶可调相位延迟器串联技术，还可以很好地补偿不同角度入射光引起的相位偏差。

4f成像调整组件1068，用于接收液晶微分剪切组件1067输出的第三剪切相移正交偏振光，用于调整光路的空间配置及成像位置，并输出第三调整剪切相移正交偏振光。

本发明实施例中，4f成像调整组件1068的功能与微分干涉4f成像调整组件1027和数字全息4f成像调整组件1038的功能相同，因此可以重叠共用同一器件。

显微镜功能分配组件1069，用于接收4f成像调整组件1068输出的第三调整剪切相移正交偏振光和参考光组件1062输出的参考光，将第三调整剪切相移正交偏振光和参考光输出至相移数字全息双通道图像采集组件106A中，对第三调整剪切相移正交偏振光进行光程补偿，得到新补偿剪切相移正交偏振光，并将该新补偿剪切相移正交偏振光输出至相移微分干涉双通道图像采集组件106B中，并将第三调整剪切相移正交偏振光输出至普通显微成像组件105中。

本发明实施例中，显微镜功能分配组件1069可以包括第二光程补偿器10693、第一非偏振分光棱镜10691以及第三非偏振分光棱镜10692，其中，该显微镜功能分配组件1069的功能包括微分干涉显微镜功能分配组件1028和数字全息显微镜功能分配组件1039的功能，使用显微镜功能分配组件1069可以完成全部功能，并且显微镜功能分配组件1069、微分干涉显微镜功能分配组件1028、数字全息显微镜功能分配组件1039三者的结构相同，因此可以重叠共用同一器件。

相移数字全息双通道图像采集组件106A，用于接收显微镜功能分配组件1069输出的第三调整剪切相移正交偏振光，并形成位于相移数字全息双通道图像采集组件106A的两个电荷耦合元件表面的成像光束。

本发明实施例中，相移数字全息双通道图像采集组件106A可以包括第一四分之一波片106A1、第二非偏振分光棱镜106A2、第一偏振片106A5、第一电荷耦合元件106A3、第二偏振片106A6以及第二电荷耦合元件106A4。

本发明实施例中，相移数字全息双通道图像采集组件106A的功能包括相移数字全息双通道图像采集组件1030的功能，相移数字全息双通道图像采集组件106A的结构与相移数字全息双通道图像采集组件1030的结构相同，其中，对于相移数字全息双通道图像采集组件106A具体包括的功能内容，本发明实施例不做赘述。

相移微分干涉双通道图像采集组件106B，用于接收显微镜功能分配组件1069输出的新补偿剪切相移正交偏振光，并形成位于相移微分干涉双通道图像采集组件106B的两个电荷耦合元件表面的成像光束。

本发明实施例中，相移微分干涉双通道图像采集组件106B可以包括第二四分之一波片106B1、第三非偏振分光棱镜106B2、第三偏振片106B5、第三电荷耦合元件106B3、第四偏振片106B6以及第四电荷耦合元件106B4。

本发明实施例中，相移微分干涉双通道图像采集组件106B的功能包括相移微分干涉双通道图像采集组件1029的功能，相移微分干涉双通道图像采集组件106B的结构与相移微分干涉双通道图像采集组件1029的结构相同，其中，对于相移微分干涉双通道图像采集组件106B具体包括的功能内容，本发明实施例不做赘述。

本发明实施例中，数字全息与微分干涉显微镜单元106是由数字全息显微镜单元103和微分干涉显微镜单元102中可以重叠共用的部分重叠共用得到的一个包括数字全息显微镜单元103和微分干涉显微镜单元102全部功能的单元；其中，数字全息与微分干涉显微镜单元106的内部单元及组件与数字全息显微镜单元103和微分干涉显微镜单元102包括的内部单元及组件相同，对数字全息与微分干涉显微镜单元106的内部单元及组件，本发明实施例中不再多加赘述。

本发明实施例中，关于光学系统成像关系和剪切关系，其中，平面波照明光照明位于显微物镜前焦平面的样品并通过物镜后，其直透光聚焦于显微物镜后焦面，样品上不同点的成像光形成沿不同方向传输的平行光，通过前焦面与物镜后焦面重合的管透镜变换，直透光变为平行光，成像光则在管透镜后焦面上形成样品像，其间，通过微分剪切组件中液晶可调延迟器，沿原光路传输的寻常光为非剪切光，而非寻常光与寻常光之间产生了一定的平移，形成剪切光，二者偏振方向相互垂直，再通过4f成像调整组件和显微镜功能分配组件，非剪切光与参考光路的参考光叠加，形成双通道相移数字全息图，剪切光与非剪切光叠加，形成双通道相移微分剪切干涉图，剪切光单独形成显微像，其中光源可以采用激光光源，用平面波作为测量光，平面波可以保证相位测量的准确性。许多文献报道中以球面波作为测量光波，球面波虽然可以得到很好的显示效果，但对后期样品的分析是不利的，对于大多数情况，用平面波照明样品更容易反映样品中物理量的分布情况。

本发明实施例中，数字全息显微镜(DHM)和微分干涉测量显微镜(DIC)是两种经常用于样品形态分析的相位测量显微镜，其中数字全息显微镜对应相移数字全息显微镜单元，微分干涉测量显微镜对应相移微分干涉显微镜单元。

数字全息显微镜(DHM)和微分干涉测量显微镜(DIC)是两种功能互补、而又不能完全相互替代的透明微小样品动态相位测量技术，其中数字全息显微镜(DHM)具有，精确地测量出样品的相位，并对样品进行进一步形态分析的功能。理论上而言，通过对数字全息显微镜(DHM)测量到的相位图像平移后与原图像相减，就可以得到数字剪切相位差，具有很大的灵活性，但这只是在像面上的剪切量大于电荷耦合元件(CCD)或彩色电荷耦合元件(CMOS)上的像素间距时有效。

而微分干涉测量显微镜(DIC)中的剪切量为λ/20～λ/4甚至更小(λ为测量光的波长)，均小于显微镜约λ/2的极限分辨率尺度，采用100倍显微物镜时其在像面上间距为5λ～25λ，对于波长0.633微米的光波相当于3～15微米，小于或略大于电荷耦合元件(CCD)像素间距，很难再用数字全息显微镜(DHM)的数字剪切方法比较两点之间的相位差别，此时微分干涉测量显微镜(DIC)恰好能够发挥其优势。微分干涉测量显微镜(DIC)采用共路干涉结构，光学系统的像差得到最大程度补偿，不会对测量结果造成影响，能够在极小剪切量情况下精确地测量两点之间的相位变化。另外，微分干涉测量显微镜(DIC)还有成像敏感性高的特点，在层析分析和透明样品显微成像的聚焦方面也能发挥重要作用。将数字全息显微镜(DHM)与微分干涉测量显微镜(DIC)相结合，可以发挥各自的优势，数据相互补充。

采用偏振方向相互垂直的正交偏振光干涉进行相位测量，是实现动态相移相测量的主要方法。微分干涉测量显微镜(DIC)相位测量中就是采用正交偏振光干涉原理，然而由于采用白光光源，现有的微分干涉测量显微镜(DIC)都是先用一片偏振片起偏并调整偏振方向，再用另一片偏振片实现单通道干涉，既浪费了能量，又损失了可贵的正交偏振光信息。采用双通道相移相位测量方法就可以解决这些问题。除此之外，双通道相移测量方法直接用于离轴干涉测量时，可以很好地消除背景噪声，也可以明显改善测量精度，与时域相移方法结合，只需要进行一次相移，就可以获得四幅相移干涉图。

微分干涉测量显微镜(DIC)通常需要通过机械手动调整渥拉斯通棱镜方法进行剪切量和剪切方向的调整，调整时间长，且难以得到定量的剪切量，不利于实现动态测量和后期的定量分析。另外现有的时域相移一般都是通过压电陶瓷(PZT)、偏振元件或波长调谐实现，压电陶瓷(PZT)和偏振元件需要机械移动或转动实现相移，压电陶瓷(PZT)需要以反射方式放置，对测量环境的要求比较高，而波长调谐方法的成本比较高，一般应用于大型干涉仪。采用液晶相位延迟器件，可以在无机械运动的情况下，实现任意相移量相移及任意剪切方向、任意剪切量的完全电路控制，执行时间可以达到毫秒以下量级。

因此在本发明实施例中，将相移微分干涉显微镜单元和相移数字全息显微镜单元组合在一起，形成一种基于正交偏振光干涉原理、利用液晶相位延迟器件和偏振光学器件实现无机械运动的任意相移和剪切、利用正交偏振光双通道相移技术和新的相移算法保证测量精度、具有自身校准与标定功能的数字全息显微镜与微分干涉显微镜共用的新型相位测量显微镜，可以同时测量同一样品的相位和剪切相位，用于微小透明样品的高精度实时动态相位测量及研究。

本发明实施例中，采用了快速高精度动态相位测量技术，该技术可以实现快速高精度相位测量。同时，正交偏振光双通道相移与液晶可变延迟器相移器以及未知相移量相移算法结合，是实现快速高精度相位测量的可行技术。除了高速电荷耦合元件(CCD)或CMOS相机这一关键器件外，液晶可变延迟相移器具备的亚毫秒级的响应时间和双通道相移图像采集，为中高速的相移相位测量提供了条件，利用双通道相移图像采集技术，只需要一次相移就可以得到四幅相移干涉图，比普通四步相移减少了两次图像采集时间，采用相移量未知的相移算法，即使在相移干涉图过程中产生了相移误差，也可以得到与相移量准确时精度相同的结果，不会错过难得的实验数据。在高速变化过程的相位测量时，可以采用离轴双通道相移数字全息显微相位测量技术，将两幅同时采集的空域载频相移干涉图相减，可以很好地消除背景，保证相位测量精度。

本发明实施例中，通过二次测量系统误差消除法、精准相移高精度测量法、任意相移量高精度算法等方法的应用，可以有效地保证测量的高精度。通过光学元件寄生反射、仪器内部的各种散射源、保持环境和光学元件的清洁等方法可以减少噪声来源，降低随机噪声。通过选择低噪声、全局快门时间短、动态范围大、量化位数高的图像传感器，在不损伤样品的前提下增加照明光强度，以高信噪比干涉条纹进行测量，通过适当调整参考光与物光的比例，减少噪声信号对暗条纹信号的影响等对测量技术和测量方法的改进，也可以有效抑制和降低噪声手段。

本发明实施例中的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜中共有4片半波片、2片四分之一波片、4片偏振片，3个非偏振分光棱镜，5个偏振分光棱镜，共18个平面光学元件。半波片中的采用普通半波片。8个偏振和非偏振分光棱镜选用宽带分光棱镜，采用多波长测量时不必再更换。由于液晶微分剪切组件中的半波片、2片四分之一波片、4片偏振片均是在非平行光场中使用，为避免非垂直入射光带来的误差，再考虑扩展到多波长测量中使用，液晶微分剪切组件中的半波片、2片四分之一波片拟选用新型的消色差聚合物波片，4片偏振片选用高精度聚合物偏振片，对这些平面光学元件的一个重要技术要求是低表面反射率，要求表面反射率小于0.25％，可以有效降低光能损失和寄生反射的影响。其中，消色差聚合物零级波片在比较大的入射角范围内都具有良好的延迟一致性，在入射角偏差±5度范围内，其相位延迟偏差小于0.002弧度，足以满足显微物镜的像方孔径角1.25度、像方最大视场角5度情况下的相移相位测量的要求。消色差聚合物零级波片具有比石英消色差零级波片优良得多是消色差特性，在中心波长±10％范围内，其波长色散延迟偏差为0.01弧度，通过选择适当的波长，还可以在波长相差20％纳米的两个波长之间几乎达到零色散。

本发明实施例中，为了更好的描述图4所示的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，请一并参阅图5，其中，数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜可以包括光束调整及耦合单元101、数字全息与微分干涉显微镜单元106、控制分析单元104以及普通显微成像组件105，数字全息与微分干涉显微镜单元106具有相移数字全息显微镜单元和相移微分干涉显微镜单元的全部功能，使得数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜在功能未改变的前提下，简化了该显微镜的结构，从而提高了该显微镜的结构简易性。

图4所描述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜可以通过光束调整及耦合单元中的激光器生成线偏振光，并对线偏振光进行调整得到扩束滤波准直后的测量光束，并将该测量光束耦合输出至相移数字全息与微分干涉显微镜单元，数字全息与微分干涉显微镜单元在接收到上述测量光束时，对上述测量光束进行相应的分光、相移、反射、成像、剪切以及分配处理，最终得到五束成像光束，并且，控制分析单元在获取到五束成像光束之后，对该五束成像光束中的四束成像光束进行相位计算和分析，进而得到相位计算和分析的结果；其中四束成像光束是成像于相移数字全息双通道图像采集组件和相移微分干涉双通道图像采集组件中的四束成像光束。可见，实施图4所描述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，可以生成测量所需要的扩束滤波准直后的正交偏振光，并在数字全息与微分干涉显微镜单元中对该正交偏振光进行精准可控的光处理，得到五束成像光束，同时，该数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜还可以对上述五束成像光束中的四束成像光束进行相位计算和分析，使得对微小透明样品的实时三维动态相位测量的精准度得到显著提高，并为细胞、微流场和微器件研究及相关的工程应用提供了一种新型的优秀定量测量手段。

图4所描述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜具有如下技术性能：一体化，利用正交偏振光干涉原理和液晶可变延迟及偏振元件，将相移数字全息显微镜与相移微分干涉显微镜有机地结合为一体；多功能，能够实现对同一样品同时进行相位、剪切相位和显微像的实时动态测量和观察，可以选择同轴或离轴数字全息显微镜测量方式，可以实施两步、四步和多步相移，具有自检测、自标定、自稳定功能；信息和能量利用率高：利用正交偏振光干涉和双通道相移干涉技术，待测量的信息和光能量得到了充分利用，可以同时获得相位和微分相位信息，为对样品的进一步研究提供更全面的数据；速度快、精度高：液晶可变延迟器实施相移和剪切，无机械移动装置，只需采用一套液晶剪切装置就可以同时实现任意方位角的剪切；采用双通道相移技术，只需一次相移即可得到四幅相移干涉图，而且无需精确标定时域相移量，采用新的快速高精度相移算法，这些技术和方法可以保证在快速测量的同时，还能获得高精度测量的测量结果；多用途：不仅适用于数字全息显微镜和微分干涉显微镜的各个应用领域，根据仪器的特点还可以拓展新的应用领域，如偏振样品相位测量等，在目前的研究中将用于细胞生长过程、生物组织切片、微流体动力学过程、液滴及液面蒸发过程、液体凝固过程、液晶显示板及微光学元件等对象的测量和研究；扩展性好：可以方便地扩展荧光显微镜及多波长干涉测量显微镜功能。

以上对本发明实施例公开的一种数字全息与微分干涉双通道相移相位显微镜进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜包括光束调整及耦合单元、相移微分干涉显微镜单元、普通显微成像组件、相移数字全息显微镜单元以及控制分析单元，其中：

所述光束调整及耦合单元，用于将所述光束调整及耦合单元包括的激光器输出的线偏振光转换为扩束滤波准直后的正交偏振光，并将所述扩束滤波准直后的正交偏振光耦合输出至所述相移微分干涉显微镜单元和所述相移数字全息显微镜单元；所述扩束滤波准直后的正交偏振光包括垂直偏振光和面内偏振光，所述面内偏振光的偏振面与所述激光器输出的所述线偏振光的偏振面相同，所述垂直偏振光的偏振面与所述面内偏振光的偏振面垂直；

所述相移微分干涉显微镜单元，用于接收所述光束调整及耦合单元耦合输出的所述扩束滤波准直后的正交偏振光，根据所述控制分析单元的控制对所述扩束滤波准直后的正交偏振光进行第一光处理以形成像面位于所述相移微分干涉显微镜单元的两个电荷耦合元件表面的成像光束，根据所述控制分析单元的控制对所述扩束滤波准直后的正交偏振光进行第三光处理以形成第一调整剪切相移正交偏振光，并将所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光输出至所述普通显微成像组件中；

所述普通显微成像组件，用于接收所述相移微分干涉显微镜单元输出的所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光，并根据所述控制分析单元的控制对所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光进行第四光处理以形成像面位于所述普通显微成像组件的一个电荷耦合元件表面的成像光束；

所述相移数字全息显微镜单元，用于接收所述光束调整及耦合单元耦合输出的所述扩束滤波准直后的正交偏振光，并根据所述控制分析单元的控制对所述扩束滤波准直后的正交偏振光进行第二光处理以形成像面位于所述相移数字全息显微镜单元的两个电荷耦合元件表面的成像光束；

所述控制分析单元，用于控制所述相移微分干涉显微镜单元和所述相移数字全息显微镜单元对所述扩束滤波准直后的正交偏振光进行光处理，控制所述普通显微成像组件对所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光包括的垂直偏振光进行光处理；

所述控制分析单元，还用于控制所述相移微分干涉显微镜单元采集和显示所述像面位于所述相移微分干涉显微镜单元的两个电荷耦合元件表面的成像光束，控制所述普通显微成像组件采集和显示所述像面位于所述普通显微成像组件的一个电荷耦合元件表面的成像光束，控制所述相移数字全息显微镜单元采集和显示所述像面位于所述相移数字全息显微镜单元的两个电荷耦合元件表面的成像光束，并显示成像光束形成的相移数字全息干涉图、相移微分剪切干涉图以及显微像，并对所述相移数字全息干涉图和所述相移微分剪切干涉图进行相位计算和分析，得到相位计算和分析的结果。

2.根据权利要求1所述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述光束调整及耦合单元包括激光器、衰减与光束比调整组件、扩束滤波准直组件以及偏转耦合器，其中：

所述激光器，用于发射线偏振光；

所述衰减与光束比调整组件，用于接收所述激光器发射的所述线偏振光，并输出第一正交偏振光；

所述扩束滤波准直组件，用于接收所述衰减与光束比调整组件输出的所述第一正交偏振光，扩展所述第一正交偏振光的光束宽度至预设宽度阈值，形成扩束后的正交偏振光，消除所述扩束后的正交偏振光中存在的杂散光，形成扩束滤波后的正交偏振光，将所述扩束滤波后的正交偏振光进行准直，形成扩束滤波准直后的正交偏振光，并输出所述扩束滤波准直后的正交偏振光；所述预设宽度阈值是用户在所述数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜内设置的，所述扩束滤波准直后的正交偏振光包括垂直偏振光和面内偏振光；

所述偏转耦合器，用于接收所述扩束滤波准直组件输出的所述扩束滤波准直后的正交偏振光，并将所述扩束滤波准直后的正交偏振光耦合输出至所述相移微分干涉显微镜单元和所述相移数字全息显微镜单元。

3.根据权利要求1所述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述相移微分干涉显微镜单元包括微分干涉偏振分光棱镜、微分干涉半波片、微分干涉液晶可调相位延迟器、微分干涉反射镜、微分干涉显微成像系统、微分干涉液晶微分剪切组件、微分干涉4f成像调整组件、微分干涉显微镜功能分配组件以及相移微分干涉双通道图像采集组件，其中：

所述微分干涉偏振分光棱镜，用于接收所述光束调整及耦合单元耦合输出的所述扩束滤波准直后的正交偏振光，反射所述扩束滤波准直后的正交偏振光包括的所述垂直偏振光，透射所述扩束滤波准直后的正交偏振光包括的所述面内偏振光；

所述微分干涉半波片，用于接收所述微分干涉偏振分光棱镜透射的所述面内偏振光，并输出第二正交偏振光；

所述微分干涉液晶可调相位延迟器，用于接收所述微分干涉半波片输出的所述第二正交偏振光和所述控制分析单元施加的第一控制电压，并相移所述第二正交偏振光包括的垂直偏振光，从而形成第一相移正交偏振光，并输出所述第一相移正交偏振光；所述第一相移正交偏振光包括，相移所述第二正交偏振光包括的垂直偏振光得到的相移垂直偏振光和所述第二正交偏振光包括的面内偏振光；

所述微分干涉反射镜，用于接收所述微分干涉液晶可调相位延迟器输出的所述第一相移正交偏振光，并反射所述第一相移正交偏振光；

所述微分干涉显微成像系统，用于接收所述微分干涉反射镜反射的所述第一相移正交偏振光，通过所述微分干涉显微成像系统内部的显微物镜和管透镜对所述反射的所述第一相移正交偏振光进行光变换，从而得到第一成像光束，并输出所述第一成像光束；其中，所述第一成像光束为相移正交偏振光；

所述微分干涉液晶微分剪切组件，用于接收所述微分干涉显微成像系统输出的所述第一成像光束，并对所述第一成像光束进行剪切互换偏转处理，得到第一剪切相移正交偏振光，并输出所述第一剪切相移正交偏振光；

所述微分干涉4f成像调整组件，用于接收所述微分干涉液晶微分剪切组件输出的所述第一剪切相移正交偏振光，用于调整光路的空间配置及成像位置，并输出第一调整剪切相移正交偏振光；

所述微分干涉显微镜功能分配组件，用于接收所述微分干涉4f成像调整组件输出的所述第一调整剪切相移正交偏振光，对所述第一调整剪切相移正交偏振光进行光程补偿，得到补偿剪切相移正交偏振光，并将所述补偿剪切相移正交偏振光输出至所述相移微分干涉双通道图像采集组件中，将所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光输出至所述普通显微成像组件中；

所述相移微分干涉双通道图像采集组件，用于接收所述微分干涉显微镜功能分配组件输出的所述补偿剪切相移正交偏振光，并形成位于所述相移微分干涉双通道图像采集组件的两个电荷耦合元件表面的成像光束。

4.根据权利要求1所述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述相移数字全息显微镜单元包括数字全息偏振分光棱镜、数字全息参考光组件、数字全息半波片、数字全息液晶可调相位延迟器、数字全息反射镜、数字全息显微成像系统、数字全息液晶微分剪切组件、数字全息4f成像调整组件、数字全息显微镜功能分配组件、相移数字全息双通道图像采集组件，其中：

所述数字全息偏振分光棱镜，用于接收所述光束调整及耦合单元耦合输出的所述扩束滤波准直后的正交偏振光，反射所述扩束滤波准直后的正交偏振光包括的所述垂直偏振光，透射所述扩束滤波准直后的正交偏振光包括的所述面内偏振光；

所述数字全息参考光组件，用于接收所述数字全息偏振分光棱镜反射的所述扩束滤波准直后的正交偏振光包括的所述垂直偏振光，并对所述反射的所述扩束滤波准直后的正交偏振光包括的所述垂直偏振光进行扩束、调整光传播方向与调整光程的操作，从而生成数字全息参考光，并输出所述数字全息参考光；所述数字全息参考光为垂直偏振光；

所述数字全息半波片，用于接收所述数字全息偏振分光棱镜透射的所述面内偏振光，并输出第三正交偏振光；

所述数字全息液晶可调相位延迟器，用于接收所述数字全息半波片输出的所述第三正交偏振光和所述控制分析单元施加的第二控制电压，并相移所述第三正交偏振光包括的垂直偏振光，从而形成第二相移正交偏振光，并输出所述第二相移正交偏振光；所述第二相移正交偏振光包括，相移所述第三正交偏振光包括的垂直偏振光得到的相移垂直偏振光和所述第三正交偏振光包括的面内偏振光；

所述数字全息反射镜，用于接收所述数字全息液晶可调相位延迟器输出的所述第二相移正交偏振光，并反射所述第二相移正交偏振光；

所述数字全息显微成像系统，用于接收所述数字全息反射镜反射的所述第二相移正交偏振光，通过所述数字全息显微成像系统内部的显微物镜和管透镜对所述反射的所述第二相移正交偏振光进行光变换，从而得到第二成像光束，并输出所述第二成像光束；其中，所述第二成像光束为相移正交偏振光；

所述数字全息液晶微分剪切组件，用于接收所述数字全息显微成像系统输出的所述第二成像光束，并输出第二剪切相移正交偏振光；所述第二剪切相移正交偏振光与所述第二成像光束相同；

所述数字全息4f成像调整组件，用于接收所述数字全息液晶微分剪切组件输出的所述第二剪切相移正交偏振光，用于调整光路的空间配置及成像位置，并输出第二调整剪切相移正交偏振光；

所述数字全息显微镜功能分配组件，用于接收所述数字全息4f成像调整组件输出的所述第二调整剪切相移正交偏振光和所述数字全息参考光组件输出的所述数字全息参考光，将所述第二调整剪切相移正交偏振光和所述数字全息参考光输出至所述相移数字全息双通道图像采集组件中；

所述相移数字全息双通道图像采集组件，用于接收所述数字全息显微镜功能分配组件输出的所述第二调整剪切相移正交偏振光和所述数字全息参考光，并形成位于所述相移数字全息双通道图像采集组件的两个电荷耦合元件表面的成像光束。

5.根据权利要求1所述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述普通显微成像组件包括第二反射镜、第三反射镜以及第五电荷耦合元件，其中：

所述第二反射镜，用于接收所述相移微分干涉显微镜单元输出的所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光，并反射所述第一调整剪切相移正交偏振光包括的垂直偏振光，得到一次反射垂直偏振光；

所述第三反射镜，用于接收所述第二反射镜反射的所述一次反射垂直偏振光，并反射所述一次反射垂直偏振光，得到二次反射垂直偏振光；

所述第五电荷耦合元件，用于接收所述第三反射镜反射的所述二次反射垂直偏振光，形成位于所述第五电荷耦合元件表面的第五最终成像光束。

6.根据权利要求1所述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述控制分析单元包括样品台控制系统、液晶可调相位延迟器相移及剪切控制系统、图像采集与显示系统、相位计算与分析系统，其中：

所述样品台控制系统，用于控制所述相移微分干涉显微镜单元包括的样品台移动和所述相移数字全息显微镜单元包括的样品台移动；

所述液晶可调相位延迟器相移及剪切控制系统，用于控制所述相移微分干涉显微镜单元包括的液晶可调相位延迟器的相移量和液晶微分剪切组件的剪切量，以及控制所述数字全息干涉显微镜单元包括的液晶可调相位延迟器的相移量；其中，所述液晶可调相位延迟器相移及剪切控制系统通过对所述相移微分干涉显微镜单元和所述数字全息干涉显微镜单元中的液晶可调相位延迟器施加电压控制相移量，并通过对所述相移微分干涉显微镜单元中的液晶微分剪切组件施加电压控制剪切量；

所述图像采集与显示系统，用于调整和控制所述相移微分干涉显微镜单元、所述相移数字全息显微镜单元以及所述普通显微成像组件包括的电荷耦合元件采集图像的参数，并采集位于各个电荷耦合元件表面的成像光束，显示相移数字全息干涉图、相移微分剪切干涉图以及显微像；

所述相位计算与分析系统，用于对所述图像采集与显示系统显示出的所述相移数字全息干涉图和所述相移微分剪切干涉图进行测量结果分析和样品形态分析，计算所述相移数字全息干涉图和所述相移微分剪切干涉图中的相位，并对计算出的相位进行误差分析。

7.根据权利要求3所述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述微分干涉液晶微分剪切组件包括第二微分干涉液晶可调相位延迟器、第四微分干涉半波片、第三微分干涉液晶可调相位延迟器、微分干涉偏移补偿器，其中：

所述第二微分干涉液晶可调相位延迟器，用于接收所述微分干涉显微成像系统输出的所述第一成像光束，并在垂直平面上平移所述第一成像光束包括的面内偏振光和所述第一成像光束包括的垂直偏振光，得到第一平移面内偏振光和第一平移垂直偏振光；其中，所述第一平移面内偏振光的平移量大于所述第一平移垂直偏振光的偏移量，所述第二微分干涉液晶可调相位延迟器的法线与所述第一成像光束的传输方向成45度角，所述第二微分干涉液晶可调相位延迟器的入射面为第一入射面，所述第一入射面位于所述垂直平面，所述第二微分干涉液晶可调相位延迟器的光轴与所述第一入射面垂直，其中所述垂直平面为所述垂直偏振光所在的平面；

所述第四微分干涉半波片，用于接收所述第二微分干涉液晶可调相位延迟器平移得到的所述第一平移面内偏振光和所述第一平移垂直偏振光，并互换所述第一平移面内偏振光和所述第一平移垂直偏振光的偏振方向，得到并输出第二平移面内偏振光和第二平移垂直偏振光；

所述第三微分干涉液晶可调相位延迟器，用于接收所述第四微分干涉半波片输出的所述第二平移面内偏振光和所述第二平移垂直偏振光，并在面内平面上平移所述第二平移面内偏振光和所述第二平移垂直偏振光，得到第三平移面内偏振光和第三平移垂直偏振光，其中所述第三平移垂直偏振光的平移量大于所述第三平移面内偏振光的偏移量；其中，所述第三平移垂直偏振光和所述第三平移面内偏振光组合形成第一平移剪切相移正交偏振光，所述第三微分干涉液晶可调相位延迟器的法线与所述第一成像光束的传输方向成45度角，所述第三微分干涉液晶可调相位延迟器的入射面为第二入射面，所述第二入射面位于所述面内平面，所述第三微分干涉液晶可调相位延迟器的光轴与所述第二入射面垂直，其中所述面内平面为所述面内偏振光所在的平面；

所述微分干涉偏移补偿器，用于接收所述第三微分干涉液晶可调相位延迟器平移得到的所述第一平移剪切相移正交偏振光，平移所述第一平移剪切相移正交偏振光得到第一剪切相移正交偏振光，并输出所述第一剪切相移正交偏振光；其中，所述第一平移剪切相移正交偏振光的平移方向和平移量是所述第三平移面内偏振光的中心恢复到所述第一成像光束的光轴的平移方向和平移量。

8.根据权利要求3所述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述相移微分干涉双通道图像采集组件包括第二四分之一波片、第三非偏振分光棱镜、第三电荷耦合元件、第四电荷耦合元件、第三偏振片以及第四偏振片，其中：

所述第二四分之一波片，用于接收所述微分干涉显微镜功能分配组件输出的所述补偿剪切相移正交偏振光，将所述补偿剪切相移正交偏振光中所包含的剪切光和非剪切光叠加，并输出相移微分干涉光；其中，所述补偿剪切相移正交偏振光为椭圆偏振光；

所述第三非偏振分光棱镜，用于接收所述第二四分之一波片输出的所述相移微分干涉光，并透射所述相移微分干涉光为第二透射相移微分干涉光，反射所述相移微分干涉光为第二反射相移微分干涉光；

所述第三偏振片，用于接收所述第三非偏振分光棱镜透射的所述第二透射相移微分干涉光，并对所述第二透射相移微分干涉光进行偏振处理，得到第三成像偏振光，并输出所述第三成像偏振光；

所述第三电荷耦合元件，用于接收所述第三偏振片输出的所述第三成像偏振光，形成位于所述第三电荷耦合元件表面的第三最终成像光束；

所述第四偏振片，用于接收所述第三非偏振分光棱镜反射的所述第二反射相移微分干涉光，并对所述第二反射相移微分干涉光进行偏振处理，得到第四成像偏振光，并输出所述第四成像偏振光；

所述第四电荷耦合元件，用于接收所述第四偏振片输出的所述第四成像偏振光，形成位于所述第四电荷耦合元件表面的第四最终成像光束。

9.根据权利要求4所述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述相移数字全息双通道图像采集组件包括第一四分之一波片、第二非偏振分光棱镜、第一电荷耦合元件、第二电荷耦合元件、第一偏振片以及第二偏振片，其中：

所述第一四分之一波片，用于接收所述数字全息显微镜功能分配组件输出的所述第二调整剪切相移正交偏振光和所述数字全息参考光，将所述第二调整剪切相移正交偏振光和所述数字全息参考光叠加，并输出相移数字全息光；

所述第二非偏振分光棱镜，用于接收所述第一四分之一波片输出的所述相移数字全息光，并透射所述相移数字全息光为第一透射相移数字全息光，反射所述相移数字全息光为第一反射相移数字全息光；

所述第一偏振片，用于接收所述第二非偏振分光棱镜透射的所述第一透射相移数字全息光，并对所述第一透射相移数字全息光进行偏振处理，得到第一成像偏振光，并输出所述第一成像偏振光；

所述第一电荷耦合元件，用于接收所述第一偏振片输出的所述第一成像偏振光，形成位于所述第一电荷耦合元件表面的第一最终成像光束；

所述第二偏振片，用于接收所述第二非偏振分光棱镜反射的所述第一反射相移数字全息光，并对所述第一反射相移数字全息光进行偏振处理，得到第二成像偏振光，并输出所述第二成像偏振光；

所述第二电荷耦合元件，用于接收所述第二偏振片输出的所述第二成像偏振光，形成位于所述第二电荷耦合元件表面的第二最终成像光束。

10.根据权利要求1～9任一项所述的数字全息与微分干涉联合的双通道相移相位测量显微镜，其特征在于，所述相移数字全息显微镜单元和所述相移微分干涉显微镜单元中具有相同功能或相同结构的组件和器件重叠共用。

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