Двухкомпонентный интерферометр общего пути
Владельцы патента RU 2673784:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) (RU)
Устройство предназначено для регистрации пространственного распределения фазовой задержки, вносимой оптически прозрачным микрообъектом, и измерению его характеристик. Устройство состоит из оптически связанных и расположенных последовательно первого оптического компонента, фокусирующего излучение, несущее изображение объекта, пространственного фильтра, второго оптического компонента, формирующего коллимированные объектный и опорный пучок, и матричного приемника излучения. Первый компонент состоит из двух линзовых элементов, меньший из которых располагается в отверстии, выполненном в большем элементе на расстоянии от его центра, превышающем диаметр отверстия, и в таком положении, что их задние фокальные плоскости совмещены. Второй компонент расположен на оптической оси меньшего из линзовых элементов в области перекрытия пучков, а его передняя фокальная плоскость совмещена с задней фокальной плоскостью указанного линзового элемента. Технический результат - выравнивание интенсивности в опорном и объектном каналах, повышение спектрального разрешения, упрощение конструкции и юстировки устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к микроскопии и предназначено для регистрации пространственного распределения фазовой задержки, вносимой оптически прозрачным микрообъектом в падающие на него световые волны, и измерению его характеристик. Изобретение предназначено для использования в качестве добавочного модуля к световым микроскопам, работающим «на просвет», дополняя их возможностью проведения количественных фазовых исследований. Изобретение может быть использовано в биомедицине и промышленности.
Известны интерферометры общего пути [М. Mir et al., Quantitative Phase Imaging, Chapter in Progress in Optics 57:133-217, Elsevier, 2012]. Принцип построения геометрической схемы интерферометров общего пути заключается в формировании опорного пучка из объектного и прохождении ими одного и того же пути. Таким образом, свойственный классическим двухлучевым интерферометрам фазовый шум, вызываемый вибрациями опорной поверхности и потоками воздуха, можно считать одинаковым для обоих пучков. При этом случайная составляющая фазы существенно уменьшается, что ведет к более точному восстановлению измеряемой фазовой задержки.
Устройство используется совместно с микроскопом, в котором установлен источник низкокогерентного излучения. Несмотря на то, что наблюдение интерференции в низкокогерентном свете в общем случае затруднено, в интерферометрах общего пути это возможно благодаря тому, что при такой геометрии разность оптических длин путей в центре поля зрения интерферометра оказывается, как правило, равной нулю [Д. Малакара. Оптический производственный контроль // М.: Машиностроение, 1985. С. 67]. Используя низкокогерентное излучение в схемах общего пути, добиваются субнанометровой чувствительности при фазовых измерениях [US 8520213].
Известны методы дифракционной фазовой микроскопии в белом свете [Bhaduri, В., Pham, Н., Mir, М., & Popescu, G. (2012). Diffraction phase microscopy with white light. Optics Letters, 37, 1094-1096] и спектроскопической дифракционной фазовой микроскопии [US 8837045; Pham Н, Bhaduri В, Ding Н and Popescu G 2012 Spectroscopic diffraction phase microscopy Opt. Lett. 37 3438-40], в которых в качестве источника света выступает галогеновая лампа, а в качестве интерферометра - интерферометр общего пути. Принцип действия данных устройств заключается в том, что в плоскости изображения, формируемого на выходе микроскопа, устанавливается дифракционная решетка, раскладывающая излучение на 0-й, 1-й, -1-й и высшие порядки дифракции. За дифракционной решеткой устанавливается 4ƒ-система - пара софокусных линз, в совмещенных фокальных плоскостях которых происходит выделение 0-го и 1-го порядков с помощью пространственного модулятора света. Один из выделяемых пучков подвергают также пространственной фильтрации с помощью точечной диафрагмы. Данная 4ƒ-система, по существу, представляет собой высокостабильный интерферометр Маха-Цендера. В методе спектроскопической дифракционной фазовой микроскопии фазовые карты измеряют в нескольких спектральных каналах, выделяемых в разложении первого порядка дифракции с помощью масок на пространственном модуляторе света, таким образом реализуя мультиспектральный подход. Недостатками такой схемы является существенное (на 1-2 порядка) различие интенсивности световых потоков интерферирующих пучков, относительно широкие спектральные каналы (28 нм) и, как следствие, невысокое спектральное разрешение, необходимость предварительной калибровки спектральных каналов с помощью дорогостоящего спектрометра.
Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.
Техническим результатом изобретения является выравнивание интенсивности в опорном и объектном каналах, повышение спектрального разрешения, упрощение конструкции и юстировки устройства.
Решение указанной технической задачи с получением указанного технического результата достигается путем того, что в устройстве, состоящем из оптически связанных и расположенных последовательно первого оптического компонента, пространственного фильтра, второго оптического компонента и матричного приемника излучения, первый компонент состоит из двух линзовых элементов с фокусными расстояниями 
и 
, вносящих близкую по величине фазовую задержку, что может быть обеспечено равенством их оптической толщины вдоль оси. В 1-м линзовом элементе образовано отверстие, в котором располагается 2-й линзовый элемент так, что их задние фокальные плоскости совпадают. Для полного разделения опорного и объектного пучков расстояние между оптическими осями элементов должно удовлетворять условию 
, где ω - угловое поле на входе устройства. Второй компонент расположен на оптической оси 2-го линзового элемента в области перекрытия пучков от первого компонента, и его передняя фокальная плоскость совпадает с задней фокальной плоскостью 2-го линзового элемента. В совмещенной фокальной плоскости первого и второго компонентов расположен пространственный фильтр, формирующий опорный волновой фронт из пучка, сформированного 1-м элементом. Второй компонент коллимирует оба световых пучка, интерференцию которых регистрируют с помощью матричного приемника излучения.
Возможен 1-й вариант устройства, отличающийся тем, что перед первым компонентом установлен спектральный фильтр. В этом случае возможно реализовать режим мультиспектральных фазовых измерений, например, с целью вычисления спектральной зависимости показателя преломления элементов исследуемого микрообъекта.
Возможен 2-й вариант устройства, предназначенный для работы в режиме оптической когерентной микроскопии, отличающийся тем, что перед первым компонентом установлен спектральный фильтр, а после второго компонента установлен объектив, фокусирующий опорный и объектный пучки на матричный приемник излучения. В этом случае возможно реализовать режим оптической когерентной микроскопии в спектральной области для визуализации внутренней трехмерной пространственной структуры исследуемого микрообъекта.
Изобретение поясняется чертежом.
На Фиг. 1 показана структурная схема устройства, где 1-1-й линзовый элемент компонента I, 2 - 2-й линзовый элемент компонента I, 3 - пространственнй фильтр, 4 - компонент II 5 - матричный приемник излучения.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть реализовано в виде сменного модуля, устанавливающегося на световые микроскопы и расширяющего их возможности.
В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант устройства, заключающийся в
- использовании в качестве 2-го линзового элемента компонента I объектива, обеспечивающего высококачественное изображение микрообъекта;
- выборе соотношения диаметров 1-го и 2-го элементов компонента I такого, что после пространственного фильтра интенсивность обоих пучков близка по величине;
- использовании в качестве спектрального элемента акустооптического перестраиваемого фильтра изображений, выделяющего из излучения заданный узкий спектральный интервал и определенную линейную поляризацию.
Отличием изобретения является то, что для формирования из объектного пучка двух интерферирующих пучков используется компонент, состоящий из двух линзовых элементов. Устройство на основе предлагаемого метода отличается компактностью, высоким спектральным разрешением, большим числом (несколько сотен) спектральных каналов, высоким отношением сигнал/шум за счет отсутствия создающих фон высших порядков дифракции, отсутствием подвижных элементов и необходимости использования спектрометра, простотой юстировки.
Устройство работает следующим образом.
Передняя фокальная плоскость устройства совмещается с задней фокальной плоскостью микроскопа, в которой формируется изображение объекта. Линзовые элементы 1 и 2, образующие компонент I, формируют из объектной волны два пучка и фокусируют их в своей совмещенной задней фокальной плоскости. Один из пучков, сформированный линзовым элементом 1, в результате прохождения через пространственный фильтр (точечную диафрагму) образует сферический волновой фронт. Другой пучок несет в себе информацию об образце. Компонент II формирует из опорной сферической волны и объектной волны параллельные пучки, которые далее интерферируют, а интерференционная картина регистрируется матричным приемником излучения. Используя перед интерферометром спектральный фильтр, перестраивают длину волны излучения, регистрируют интерференционные изображения на разных длинах волн, обрабатывают их численными методами и получают спектральную зависимость фазовой задержки, внесенной образцом в световую волну.
1. Устройство для регистрации интерференционных изображений объектов, состоящее из оптически связанных и расположенных последовательно первого оптического компонента, фокусирующего излучение, несущее изображение объекта, пространственного фильтра, второго оптического компонента, формирующего коллимированные объектный и опорный пучок, и матричного приемника излучения; отличающееся тем, что первый компонент состоит из двух линзовых элементов, меньший из которых располагается в отверстии, выполненном в большем элементе на расстоянии от его центра, превышающем диаметр отверстия, и в таком положении, что их задние фокальные плоскости совмещены, второй компонент расположен на оптической оси меньшего из линзовых элементов в области перекрытия пучков, а его передняя фокальная плоскость совмещена с задней фокальной плоскостью указанного линзового элемента.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для спектральных интерференционных изображений перед первым компонентом установлен спектральный фильтр.
3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что после второго компонента установлен объектив, фокусирующий опорный и объектный пучки на матричный приемник излучения.
