Динамический интерферометр

Устройство для получения информации о двумерном распределении оптической разности хода, вносимой динамическим фазовым объектом в течении определенного промежутка времени. Такое устройство может использоваться для получения информации об оптической разности хода, вносимой динамическими фазовыми объектами в оптической профилометрии и интерференционной микроскопии. Устройство содержит интерференционный микроскоп, фотоприемник и фазосдвигающее устройство. Фотоприемник представляет собой двумерную матрицу фотоэлементов, например, такую как ПЗС, КМОП или др. и обладает большой частотой захвата изображений - высокоскоростная камера. На пьезоэлемент подается сигнал треугольной формы амплитудой U_mp и частотой _mp. Интерференционные изображения захватываются камерой, имеющей частоту захвата _зax. Устройство предусматривает предварительное определение фазовых сдвигов между каждой парой интерференционных изображений, что дает возможность удалить из рассмотрения изображения, имеющие небольшой фазовый сдвиг. Выбранные интерференционные изображения и полученные фазовые сдвиги используются для реконструкции по методу фазовых шагов. Таким образом, предложенное устройство позволяет с большей точностью и высокой частотой получать информацию о двумерном распределении оптической разности хода вносимой нестационарным во времени фазовым объектом в течении определенного промежутка времени.

Устройство относится к области оптико-электронных измерительных приборов. Оно предназначено для получения информации о фазовом изображении, представляющем собой двумерное распределение оптической разности хода, вносимой динамическим, т.е. нестационарным во времени, фазовым объектом в течение определенного промежутка времени. Устройство представляют собой интерференционный микроскоп с двумерным фотоприемником - высокоскоростной камерой и устройством сдвига фазы опорного пучка излучения на пьезоэлементе, управляемым от компьютера.

Такое устройство может использоваться для получения информации об оптической разности хода, вносимой динамическими фазовыми объектами, например, в оптической профилометрии, для измерения профиля поверхности, и интерференционной микроскопии, для изучения живых клеток, исследования оптических элементов, измерения толщины тонких пленоки и пр.

Сложность исследования динамических фазовых объектов заключается в том, что для высокоточного вычисления фазового изображения необходимо зарегистрировать несколько интерференционных изображений при различных фазовых сдвигах опорного пучка в течении короткого промежутка времени.

Известен микроскоп разработанный фирмой Lyncee Tec SA (Швейцария) - цифровой голографический микроскоп (Digital Holographic Microscope - DHM). Получающаяся низкочастотная голограмма записывается на ПЗС-камеру. Для реконструкции волнового фронта по голограмме используется преобразование Френеля [1]. Авторы предлагают использовать фильтрацию спектра для уменьшения значений нулевого и высокочастотных порядков дифракции, что приводит к улучшению качества реконструкции. Этот метод подобен известному Фурье-методу, используемому в оптической профилометрии (FTP). Микроскопы выпускаются трех типов: на отражение для микро- и макрообъектов и на просвет [2]. Главным достоинством этого прибора является возможность исследования динамических объектов, так как для реконструкции нужен один кадр. Недостатком является невысокая точность по сравнению с методом фазовых шагов.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является автоматизированный интерференционный микроскоп «Эйрискан» разработанный на базе микроинтерферометра МИИ-4 [3, 4]. В качестве источника освещения использовался He-Ne лазер. Интерференционное изображение регистрируется с помощью координатно-чувствительного фотоприемника - диссектора, который представляет собой электронно-оптический преобразователь с внешним фотоэффектом (без накопления заряда) с фотоэлектронным умножителем и магнитным переносом потока электронов в плоскость диафрагмы с малым отверстием. Пространственное разрешение зависит от диаметра диафрагмы и достигало 200 линий/мм. Для автоматизированной расшифровки интерферограмм реализован компенсационный метод. Модуляция фазы опорного пучка излучения производилась с помощью зеркала с пьезоэлементом. Область сканирования изменялась в пределах 5-50 мкм. Максимальный размер изображения 1024×1024 пикселей. Время ввода одного пикселя - 1 мс [3]. Время захвата всего изображения изменяется от 10 с (5×5 мкм) - 16 мин (50×50 мкм). Таким образом, данный микроскоп, имеющий длительное время ввода изображения, позволяет исследовать лишь стационарные фазовые объекты, либо проводить локальные динамические измерения - в нескольких точках для динамических объектов.

Заявляемая полезная модель была разработана как результат решения задачи создания устройства для высокоточного получения фазовых изображений динамических фазовых объектов.

Это достигается тем, что динамический интерферометр (Фиг.1) содержит интерференционный микроскоп 1, двумерный фотоприемник с большой частотой захвата изображений 14 и фазосдвигающее устройство на основе пьезоэлемента 13, позволяющее осуществлять непрерывный сдвиг зеркала опорного канала, путем подачи на него импульса треуголной формы 15. В состав прибора также входит осветительный блок 2, включающий в себя источник монохроматического света - лазер 5, вращающийся диффузор 4 и схему управления 6. В интерферометр оптическое излучение поступает по световоду 7. Интерферометр выполнен по схеме Линника и содержит светоделитель 11 и два микрообъектива 10 и 12. Объект исследования 8 располагается на предметном зеркале 9. Управление работой устройства осуществляется с помощью ПЭВМ 3.

Принцип работы устройства иллюстрируется на Фиг.2 и Фиг.3. На Фиг.2 представлены этапы, а также промежуточные и конечные результаты получения фазовых изображений. Фиг.3 иллюстрирует принцип работы устройства. На Фиг.3а представлен график напряжения на пьезоэлементе опорного зеркала, на Фиг.3б представлен график кадровых импульсов с камеры, на Фиг.3в представлен график получаемых фазовых сдвигов.

Для расшифровки интерферограмм и реконструкции оптической разности хода используется метод фазовых шагов, требующий захвата N интерферограмм (N3), при различных значениях фазового сдвига опорного зеркала. Для этого на пьезоэлемент подается напряжение треугольной формы амплитудой U_mp и частотой _mp. 15 (Фиг.1), 21 (Фиг.3). Интерференционные изображения захватываются камерой 16 (Фиг.2), имеющей частоту захвата _зах.

Амплитуда напряжения U _mp выбирается такой, чтобы обеспечить перемещение зеркала D равное:

где - длина волны излучения. Зависимость между напряжением и сдвигом D(U_mp) определяется конкретным типом пьезоэлемента.

Частота напряжения _mp, определяется необходимой частотой получения фазовых изображений _фи по следующему соотношению:

Частота захвата интерферограмм камерой fjax определяется из соотношения:

Назовем набор интерференционных изображений, необходимый для реконструкции одного фазового - пачкой, а набор пачек интерференционных изображений - серией 22 (Фиг.3). Конечным результатом работы прибора является получение серии фазовых изображений с частотой _фи в течении определенного промежутка времени, называемого временем съемки.

Так как пьезоэлемент обладает гистерезисом, то зависимость D(U_mp), как правило, носит нелинейный характер. Это приводит к непостоянству фазового сдвига и, как следствие, к ошибкам реконструкции. Поэтому на первом этапе устройство предусматривает предварительное определение фазовых сдвигов между каждой парой интерференционных изображений - калибровка 17, 19 (Фиг.2). Для этого используется метод основанный на Фурье-преобразовании. Для его осуществления необходимо, чтобы количество полос на интерферограмме было достаточным, для того, чтобы разделились +1 и -1 порядки в Фурье-плоскости. Так как значения сдвигов при нарастании и спаде напряжения имеют разные знаки, то по всей совокупности сдвигов можно выделить пачки и серии изображений 23 (Фиг.3). Для этого задается два порога и -. Если i-oe и i+1-oe изображения, фазовый сдвиг между которыми равен _i=_i+1-_I попадает в диапазон -<_i<-, то i-oe изображение не включаются в состав пачки. Это дает возможность удалить из рассмотрения изображения, полученные при небольшом фазовом сдвиге. Выбранные интерференционные изображения и полученные фазовые сдвиги используются для реконструкции по методу фазовых шагов на втором этапе 18, 20 (Фиг.2).

Таким образом, предложенное устройство позволяет с большей точностью и высокой частотой получать информацию о фазовых изображениях динамического фазового объекта в течение определенного промежутка времени.

ЛИТЕРАТУРА

1. Marquet P., Rappaz В., J. Magistretti P., Cuche E., Emery Y., Colomb Т., Depeursinge С.Digital holographic microscopy: a noninvasive contrast imaging technique allowing quantitative visualization of living cells with subwavelength axial accuracy // OPTICS LETTERS - 2005 - V.30, No.5. 468-470.

2. http://www.lynceetec.com/

3. Тычинский В.П. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов // Успехи физических наук. - 2001. - Т.171. - 6.

4. Тычинский В.П. Компьютерный фазовый микроскоп. - М.: Знание, 1989. - 64 с.

5. Goldberg K.A., Bokor J. Fourier-transform method of phase-shift determination. // Applied Optics. - Vol.40, No.17, 2001, pp.2886-2894.

1. Устройство для получения информации о фазовых изображениях динамического фазового объекта в течение определенного промежутка времени, содержащее интерференционный микроскоп, фотоприемник и фазосдвигающее устройство, отличающееся тем, что фотоприемник представляет собой двумерную матрицу фотоэлементов с частотой захвата не менее 300 к/с.

2. Устройство по п.1, в котором для улучшения качества получаемых фазовых изображений предусматривается предварительное определение фазовых сдвигов между каждой парой интерференционных изображений.