Цифровой оптоволоконный микроскоп

Предложен безлинзовый цифровой дифракционный микроскоп, принцип работы которого состоит в том, что с помощью ПЗС матрицы фотокамеры регистрируют интерференционную картину (голограмму), образованную объектным и опорным полями. При этом, оптический тракт, по которому распространяется объектная волна содержит специальный блок управления траекторией объектного пучка, что позволяет проводить измерения оптических характеристик произвольных амплитудно-фазовых объектов. Кроме того, устройство содержит оптоволоконный фазовый контроллер, что позволяет вносить заданную фазовую задержку в опорный пучок, не меняя положения световода, по которому распространяется опорный пучок, что приводит к стабильности всей схемы в целом и существенно повышает качество восстановленного изображения.

Предлагаемое техническое решение связано с разработкой нового класса оптических приборов - безлинзовых цифровых дифракционных микроскопов.

Характерной чертой современной оптики является наличие компьютера как составной части самой оптической схемы, что обусловлено их дешевизной, компактностью и достаточно высоким быстродействием. Именно это позволяет легко интегрировать компьютер в оптическую схему для выполнения самых различных математических операций, позволяющий получать амплитудно-фазовое изображение объектов в режиме реального времени. В этом отношении микроскопия - получение изображения микрообъектов - наиболее выигрышная область для успешного применения компьютера как составного элемента оптической схемы. Действительно, если осветить микрообъект когерентным пучком света, то в плоскости за объектом на относительно небольшом расстоянии от него возникает дифракционная картина, которая занимает размеры такого порядка, как и размеры современных ПЗС матриц фотокамеры. Это позволяет получать достаточно качественные цифровые интерферограммы (голограммы) объектного и опорного световых полей. Соответствующая математическая обработка такой интерферограммы позволяет вычислить комплексную амплитуду объекта, т.е. получить его амплитудно-фазовое «изображение», которое при необходимости может быть отображено на мониторе. Таким образом, изображение получается в результате вычислений или обработки интерферограммы по тому или иному алгоритму. Следует здесь сразу отметить, что выбранный алгоритм (разумеется, наряду с характеристиками ПЗС матриц и лазерных источников света) существенным образом определяет качество построенного изображения объекта.

По нашему мнению, предлагаемое техническое решение может найти применение в биологии и медицине, для анализа амплитудно-фазовых характеристик биологических объектов, таких например, как бактерии, имеющие характерные размеры порядка десятка микрон.

Известен оптоволоконный цифровой микроскоп («Алгоритмы и программное обеспечение для обработки и анализа дифракционных картин микрообъектов», Власов Н.Г., Каленков Г.С., Каленков С.Г., Штанько А.Е., XX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, стр.47-48) в состав которого входит: 1) - источник лазерного излучения (осветитель), соединенный с оптоволоконным разветвителем Y - типа, окончания плеч которого закреплены в юстируемых держателях 2) - предметный столик, 3) - шаговые двигатели, 4) - пьезокерамические элементы (фазовращатели), и 5) - ПЗС матрица (регистрирующее устройство).

К недостатками прототипа можно отнести следующее:

- ограниченная область применения, именно: можно исследовать только прозрачные (фазовые) объекты

- недостаточно высокое качество восстановленного изображения

Цель настоящего предполагаемого изобретения - устранить указанные недостатки.

В предлагаемой полезной модели поставленная цель достигается тем, что в известное устройство - цифровой оптоволоконный микроскоп, добавляется:

1. блок управления траекторией объектного пучка, что, в свою очередь, позволяет проводить исследование оптических характеристик как прозрачных (фазовых), так и непрозрачных микрообъектов

2. оптоволоконный фазовый контроллер

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг.1, фиг.2 и фиг.3. На фиг.1 и фиг.2 изображен блок управления траекторией объектного пучка, в схеме на отражение и на просвет соответственно. На фиг.1 освещающий пучок выходит из оптоволокна 1, фокусируется на объекте 3 оптической системой 2. Отраженный объектный пучок смешивается при помощи светоделительного кубика 6 с опорным пучком, выходящим из оптоволокна 4, в котором установлена отрицательная линза 5, так чтобы, во-первых, оптически совместить плоскость мнимого фокуса с плоскостью объекта, а во-вторых, достаточно расширить опорный пучок. Перекрытие опорного и объектного пучков образует интерференционную картину, которая регистрируется фотоприемной матрицей 7.

Фиг.1 «Схема управления траекторией объектного пучка на отражение»

1 - освещающий пучок, 2 - оптическая система, 3 - объект, 4 - опорный пучок, 5 - отрицательная линза, 6 - светоделительный кубик, 7 - регистрирующая матрица

На фиг.2 представлена схема управления траекторией объектного пучка на просвет. Освещающий пучок выходит из оптоволокна 1, рассеивается на объекте 2, смешивается при помощи светоделительного кубика 3 с опорным пучком, выходящим из оптоволокна 4 и в котором установлена отрицательная линза 5, так чтобы, во-первых, оптически совместить плоскость мнимого фокуса с плоскостью объекта, а во-вторых, достаточно расширить опорный пучок. Перекрытие опорного и объектного пучков образует интерференционную картину, которая регистрируется фотоприемной матрицей б.

Фиг.2 «Схема управления траекторией объектного пучка на просвет»

1 - освещающий пучок, 2 - объект, 3 - светоделительный кубик, 4 - опорный пучок, 5 - отрицательная линза, 3 - светоделительный кубик, 6 - регистрирующая матрица

На фиг.3 представлена принципиальная схема оптоволоконного фазового контроллера. Входящее излучение подается в контроллер через оптоволоконный адаптер 1, делится в соотношении интенсивностей 1:1 на два плеча оптоволоконным делителем 2. Установленные в левом и правом плечах оптоволоконные делители 4 и 5 делят излучение в соотношении интенсивностей 1:9. В правом плече разветвителя установлен цилиндрический пьезоэлектрический элемент, на который намотано оптоволокно входного плеча разветвителя 5. Под действием напряжения, приложенного к обкладкам пьезоэлектрического элемента, изменяется длина волокна, что приводит к одновременному и равному по величине сдвигу фазы излучения на выходных адаптерах 8 и 9.

Фиг.3 «Схема оптоволоконного фазового контроллера»

1 - оптоволоконный адаптер для входящего излучения, 2 - оптоволоконный делитель, 3 - цилиндрический пьезоэлектрический элемент, 4, 5 - оптоволоконные делители, 6, 7, 8, 9 - выходные оптоволоконные адаптеры

Как видно из схемы, представленной на фиг.1 и 2, с помощью предлагаемого блока управления объектным пучком можно освещать объект двумя различными способами, именно: если объект прозрачный, то микроскоп работает на просвет и траектория объектного пучка соответствует пути фиг.2, соответственно, если объект непрозрачный, то траектория пучка соответствует пути фиг.1. Таким образом, блок управления траекторией позволяет проводить исследования произвольных микрообъектов, что существенно расширяет область применения предлагаемого устройства.

Введение в устройство дополнительного элемента - оптоволоконного фазового контроллера - позволяет вносить заданную фазовую задержку в опорный пучок в отличие от аналога, не меняя положения световода, по которому распространяется опорный пучок, что очевидно приводит к стабильности всей схемы в целом и значительно повышает точность регистрации интерферограммы. Как ясно из вышеизложенного, этот прием позволяет существенно повысить качество восстановленного изображения.

Работоспособность предложенного микроскопа проверялась на макетном образце, испытания которого показали, что цели изобретения полностью достигнуты.

Оптоволоконный цифровой микроскоп, включающий в себя: источник лазерного излучения (осветитель), соединенный с оптоволоконным разветвителем Y-типа, окончания плеч которого закреплены в юстируемых держателях, предметный столик и ПЗС матрица (регистрирующее устройство), отличающийся тем, что, с целью расширения области его применения, а именно: исследования оптических характеристик произвольных амплитудно-фазовых микрообъектов, а также повышения качества восстановленного изображения, в его состав включен блок управления траекторией объектного пучка и оптоволоконный фазовый контроллер.