Устройство для исследования оптической анизотропии объекта интерферометрическим методом
Изобретение относится к области интерференционной оптики и может быть использовано в оптических системах, которые предназначены для контроля параметров объекта наблюдения, связанных с оптической анизотропией, например, в микроскопах. Согласно способу исследования объекта интерференционным методом из пучка, содержащего информацию об объекте, выделяют два пучка, имеющие взаимно ортогональную поляризацию. Направляют указанные пучки на фотоприемник, где они образуют интерференционную картину. Интерферометр, предназначенный для реализации способа, включает поляризующий светоделитель. Интерферометр выполнен с возможностью приведения выделенных пучков к однонаправленной поляризации. Достигается минимизация влияния рельефа объекта на точность определения оптической анизотропии и коэффициента преломления поверхности объекта.
Изобретение относится к области интерференционной оптики и может быть использовано в оптических системах, которые предназначены для контроля различных параметров объекта наблюдения, связанных с оптической анизотропией, например, в микроскопах. Данные об оптической анизотропии объекта наблюдения востребованы в биологии, материаловедении и других областях науки и техники. Исходной информацией для получения таких данных может служить фазовое изображение объекта.
Интерференционный метод получения фазового изображения в общем случае заключается в использовании когерентного монохроматического пучка света, который разделяют на два пучка, один из которых направляют к исследуемому объекту, а другой - к фазовому модулятору, например, плоскому зеркалу. Первый пучок (далее - объектный пучок), отражаясь от объекта, получает информацию об объекте в виде смещения фазы по сечению пучка, которое обусловлено различной длиной оптического пути волн вследствие изменяющегося по площади объекта рельефа или коэффициента преломления (оптическая анизотропия). Второй пучок (далее - опорный пучок) отражается от плоского зеркала и имеет неизменную фазу по сечению пучка. Оба пучка направляют на экран фотоприемника, где они образуют интерференционную картину.
Для получения фазового изображения объекта (или фазового портрета объекта) необходимо вычислить фазу объектного пучка на каждом пикселе экрана фотоприемника. Общеизвестным считается способ определения фазы объектного пучка, при котором требуются минимум три интерференционные картины, позволяющие определить освещенность пикселя и полученные при различных значениях разности фаз объектного и опорного пучков.
Требуемое изменение разности фаз, как правило, получают сдвигом фазы опорного пучка (возможно также - объектного пучка), который осуществляют, например, путем изменения длины оптического пути опорного пучка при перемещении опорного зеркала.
Изложенный выше интерференционный метод реализован в микроскопе, защищенном патентом RU2181498C1, G02B 21/00, 20.04.2002 и выбранном в качестве прототипа изобретения. Данный микроскоп выполнен с возможностью поляризационной модуляции объектного и опорного пучков, что позволяет фиксировать оптическую анизотропию объекта наблюдения. Недостатком микроскопа является сложность конструкции, выражающаяся в наличии поляризационных модуляторов и большом количестве отражателей на пути объектного и опорного пучков, привносящих также погрешности в фазовый портрет объекта. Другим недостатком является искажение данных об оптической анизотропии объекта вследствие влияния рельефа объекта.
Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства для получения данных об оптической анизотропии и коэффициенте преломления на всей поверхности объекта и повышение точности определения таких данных.
Для решения поставленной задачи предложены два объекта изобретения.
Первым объектом изобретения является способ исследования объекта интерференционным методом, включающий получение интерференционной картины на фотоприемнике. Из пучка, содержащего информацию об объекте, выделяют два пучка, имеющие взаимно ортогональную поляризацию, и направляют указанные пучки на фотоприемник. Пучком, содержащим информацию об объекте, может быть отраженный от объекта пучок.
В предпочтительном случае первого объекта изобретения перед направлением выделенных пучков на фотоприемник осуществляют их приведение к однонаправленной поляризации.
В другом предпочтительном случае получают несколько интерференционных картин, при этом осуществляют сдвиг фазы для одного из выделенных пучков. При этом сдвиг фазы может быть осуществлен при помощи зеркала, выполненного с возможностью перемещения вдоль линии пути указанного выделенного пучка.
Вторым объектом изобретения является интерферометр, в котором интерференционная картина образована первым и вторым пучками. Интерферометр включает светоделитель, который выделяет из пучка, содержащего информацию об объекте, первый и второй пучки, имеющие взаимно ортогональную поляризацию. Пучок, содержащий информацию об объекте, может быть отраженным от объекта пучком.
В предпочтительном случае второго объекта изобретения на пути одного из выделенных пучков установлена четвертьволновая пластинка и зеркало. Зеркало может быть выполнено с возможностью перемещения вдоль линии пути направленного на него пучка. Интерферометр может содержать второй светоделитель, объединяющий первый и второй пучки.
Технические результаты, достигаемые первым и вторым объектом изобретения:
- снижение погрешности фазового портрета вследствие отказа от использования поляризационных модуляторов и уменьшения количества отражателей;
- минимизация влияния рельефа объекта на точность определения оптической анизотропии и коэффициента преломления.
Первый и второй объекты изобретения могут быть использованы в микроскопе, однако для специалиста представляется очевидным, что изобретение может быть использовано и в других устройствах.
Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуру, на которой изображена схема микроскопа.
Когерентный монохроматический пучок света от источника 1, в качестве которого использован лазер, попадает на полуволновую пластинку 2, предназначенную для поворота плоскости поляризации на заданный угол. Далее пучок попадает на неполяризующий светоделитель 3 и, отдав часть своей энергии в ловушку-поглотитель 4, направляется через объектив 5 к объекту 6. Отразившись от объекта, пучок приобретает эллиптическую поляризацию, параметры которой определяются оптической анизотропией объекта. Таким образом, отраженный пучок содержит информацию об объекте и далее именуется объектным пучком.
Объектный пучок проходит через объектив 5 и направляется в интерферометр 15. Интерферометр содержит поляризующий светоделитель 7, который выделяет из объектного пучка первый и второй пучки с взаимно ортогональной поляризацией - первой и второй соответственно. Поскольку эллиптическая поляризация может быть представлена соответствующей комбинацией двух линейных взаимно ортогональных поляризаций, то первый и второй пучки совместно сохраняют содержащуюся в объектном пучке информацию об объекте. Поляризующий светоделитель 7 выполнен таким образом, что пропускает только пучок с первой поляризацией, а пучок со второй поляризацией отражает под прямым углом.
Первый пучок с первой поляризацией проходит через светоделитель 7, сохраняя направление объектного пучка, и, отразившись от двойного зеркала 8, попадает на неполяризующий светоделитель 9. На светоделителе 9 первый пучок с первой поляризацией отдает часть своей энергии в ловушку-поглотитель 10 и направляется к фотоприемнику 11.
Второй пучок со второй поляризацией направляется светоделителем 7 через четвертьволновую пластинку 12 к зеркалу 13. Причем четвертьволновая пластинка меняет вторую линейную поляризацию второго пучка на циркулярную поляризацию, например, правую. Зеркало обращает правую циркулярную поляризацию второго пучка в левую циркулярную поляризацию. Проходя через четвертьволновую пластинку в обратном направлении, второй пучок с левой циркулярной поляризацией приобретает первую линейную поляризацию, которая позволяет ему пройти поляризующий светоделитель 7, не изменяя направления. Посредством зеркала 14 второй пучок направляется к неполяризующему светоделителю 9, на котором он отдает часть своей энергии в ловушку-поглотитель 10. Сохранив свое направление, второй пучок с первой поляризацией направляется на фотоприемник 11, где совместно с первым пучком, также имеющим первую поляризацию, образует интерференционную картину.
Приведение первого и второго пучков к однонаправленной поляризации повышает четкость интерференционной картины, но является, однако, частным случаем изобретения.
Зеркало 13 выполнено с возможностью перемещения вдоль линии пути второго пучка, позволяя получить несколько интерференционных картин при различном сдвиге фазы между первым и вторым пучками. Используя известные для специалиста в данной области методы, на основании набора интерференционных картин определяют фазовый портрет объекта.
Соответствующая интерпретация полученного при использовании изобретения фазового портрета объекта дает исчерпывающую и не искаженную рельефом объекта информацию о распределении оптической анизотропии и коэффициента преломления по всей площади объекта. Минимизация влияния рельефа на фазовый портрет достигается тем, что сдвиг фазы на каждом пикселе, вызванный рельефом, одинаков для первого и второго пучков, поскольку они выделены из общего для них объектного пучка.
Важным является также то, что оба плеча интерферометра (первый и второй пучки) проходят в составе объектного пучка через один и тот же объектив. Таким образом, систематические погрешности объектива, приводящие к смещению фазы пучка, не оказывают влияния на фазовый портрет объекта.
Упрощение конструкции относительно прототипа достигается отсутствием необходимости использования поляризационных модуляторов и снижением количества отражателей на участке раздельного пути первого и второго пучков. Указанный факт способствует также снижению погрешности при определении фазового портрета.
Устройство для исследования оптической анизотропии объекта, содержащее первый светоделитель, который выделяет из отраженного от объекта пучка первый и второй пучки, имеющие взаимно ортогональную поляризацию, и второй светоделитель, объединяющий первый и второй пучки для направления их на фотоприемник, где они образуют интерференционную картину, причем на линии пути одного из выделенных пучков установлена четвертьволновая пластинка и зеркало, выполненное с возможностью перемещения вдоль линии пути направленного на него пучка.
