Интерференционная микроскопия фазовых объектов в низкокогерентном свете тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Латушко Михаил Иванович

• Латушко Михаил Иванович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Латушко Михаил Иванович

Введение

Глава 1 Методы визуализации фазовых биологических объектов в микроскопии

1.1 Визуализация фазовых биологических объектов

1.2 Существующие интерференционные микроскопы для получения количественных фазовых изображений

1.2.1 Микроскопы на базе двулучевых интерферометров

1.2.2 Микроскопы на базе интерферометров общего пути

1.2.3 Микроскопы на базе сдвиговых интерферометров

1.3 Выводы

Глава 2 Методы получения фазовых изображений с применением интерферометров общего пути

2.1 Построение интерферометра общего пути с опорным пучком

2.1.1 Выбор оптического светоделителя

2.1.2 Формирование опорного пучка

2.2 Интерференционный микроскоп с призмой Кёстерса

2.2.1 Описание экспериментальной установки

2.2.2 Реализация метода фазовых шагов

2.2.3 Достоинства и недостатки интерференционного микроскопа с призмой Кёстерса

2.3 Интерференционный микроскоп с бипризмой Дове

2.3.1 Описание экспериментальной схемы

2.3.2 Реализация метода фазовых шагов

2.3.3 Компенсация смещения световых пучков

2.3.4 Достоинства и недостатки интерференционного микроскопа с бипризмой Дове

2.4 Автоматизированные методы расшифровки интерферограмм

2.4.1 Расшифровка интерферограмм методом Фурье

2.4.2 Расшифровка интерферограмм методом фазовых шагов

2.5 Выводы

Глава 3 Способы получения дифференциальных фазовых изображений в низкокогерентном свете

3.1 Выбор источника излучения для интерференционных измерений

3.1.1 Применение точечного светодиода

3.2 Сдвиговый интерференционный микроскоп с бипризмой Дове

3.2.1 Описание экспериментальной установки

3.2.2 Достоинства и недостатки оптической схемы

3.3 Интерференционный микроскоп на базе сдвигового интерферометра Майкельсона

3.3.1 Описание экспериментальной установки

3.3.2 Достоинства и недостатки оптической схемы

3.4 Анализ формирования дифференциальных фазовых изображений

3.4.1 Формирование интерферограмм поперечного сдвига

3.5 Анализ пространственно-временных шумов на дифференциальных фазовых изображениях

3.5.1 Понятие о пространственно-временных шумах

3.5.2 Алгоритмы расчёта пространственных и временных шумов

3.5.3 Экспериментальные результаты

3.6 Выводы

Глава 4 Применение сдвигового интерференционного микроскопа для получения многоракурсных изображений

4.1 Получение трёхмерных изображений фазовых объектов

4.2 Получение многоракурсных фазовых изображений на сдвиговом интерференционном микроскопе с бипризмой Дове

4.2.1 Схема экспериментальной установки

4.2.2 Получение многоракурсных изображений в коническом пучке

4.2.3 Достоинства и недостатки работы установки

4.3 Получение многоракурсных изображений на интерференционном микроскопе со сдвиговым интерферометром Майкельсона

4.3.1 Описание экспериментальной схемы

4.3.2 Получение многоракурсных изображений в параллельном пучке

4.3.3 Достоинства и недостатки работы установки

4.4 Методика калибровки углов зондирования

4.5 Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Введение

Актуальность темы определяется повышенным интересом к неинвазивным исследованиям различных фазовых объектов со стороны различных отраслей промышленности, физики, биологии и медицины. Важной задачей при исследовании любых фазовых микрообъектов, будь то прозрачные структуры, плазма или биологические объекты (клетки, бактерии и т.д.), является не только их визуализация, но и получение количественных данных об этих объектах с максимально высокой точностью.

Любой фазовый объект характеризуется пространственным распределением показателя преломления, зная которое, возможно рассчитать ряд других физических параметров, описывающих состояние объекта, таких как плотность, температура, концентрация каких-либо веществ внутри объекта и т.п. Для получения информации о распределении показателя преломления, главным образом, применяется метод оптической интерферометрии.

Современная вычислительная техника и полупроводниковые технологии, расширив возможности существующих оптических интерференционных систем, позволили рассчитывать необходимые физические параметры слабоконтрастных микрообъектов по их фазовым изображениям, в каждой точке которых известна оптическая разность хода. Однако, в большинстве случаев, подобные оптические системы работают в когерентном лазерном свете, что, с одной стороны, позволяет с лёгкостью регистрировать интерферограммы, но с другой, не удовлетворяет возрастающим требованиям к точности извлекаемых данных.

Низкая точность количественных фазовых изображений, полученных в лазерном свете, является следствием высокой пространственно-временной когерентности лазерного излучения. Дифракция когерентного света на краях апертуры и любых неоднородностях оптических элементов, многократные переотражения света от оптических поверхностей различных элементов - всё это ведёт к появлению паразитных интерференционных полос и спекл-структуры, искажающих результирующее изображение.

Единственным способом повысить точность количественных фазовых изображений является снижение степени пространственной и/или временной когерентности излучения.

Существует ряд оптических схем, построенных на базе двулучевых интерферометров, которые обеспечивают аппаратную реализацию интерференционных измерений фазовых микрообъектов в низкокогерентном свете. К ним относится известная схема интерференционного микроскопа Линника, автоматизированная модификация которого была разработана во ВНИИОФИ [1]. Данный прибор работает в лазерном свете, который пропускается через быстровращающийся диффузор. Это снижает степень пространственной когерентности, но не изменяет степень временной когерентности, поскольку излучение является монохроматическим. Впоследствии формируются количественные фазовые изображения биологических объектов, однако, из-за того, что исследуемые объекты размещаются на зеркале в предметном канале интерферометра, свет дважды проходит через них. Впоследствии это приводит к удвоению шумов и также накладывает ограничения на оптическую толщину исследуемых объектов.

Количественные фазовые изображения прозрачных объектов предпочтительнее получать в проходящем излучении, что могут обеспечить оптические схемы, построенные на базе классической конфигурации интерферометра Маха-Цандера. Однако предметная и опорная ветви в таком интерферометре пространственно разнесены и его работа в низкокогерентном излучении оказывается затруднительной, поскольку предметный и опорный световые пучки в разной степени подвержены влиянию вибраций и температурных флуктуаций, а кроме этого требуется выравнивать их оптические пути с высокой точностью.

На сегодняшний день во всём мире над решением проблемы получения количественных фазовых изображений с высокой точностью работает несколько экспериментальных групп. Объединяющей тенденцией является применение в оптических микроскопах интерферометров с совмещёнными ветвями, иначе

называемых интерферометрами общего пути, и работа в низкокогерентном излучении.

В интерферометрах общего пути можно сформировать опорный пучок из предметного с помощью точечной диафрагмы методом пространственной фильтрации излучения. Насколько известно, первыми подобный подход применили экспериментальные группы Г.Попеску (О.РореБеи) [2] и Н.Шакеда (К.БИакеё) [3]. Их оптические системы обеспечивали получение количественных фазовых изображений биологических микрообъектов в низкокогерентном, но всё же лазерном излучении, потому что для формирования опорного пучка точечной диафрагмой диаметром ~30мкм требуется мощный источник излучения.

Иной подход заключается в применении осветителей с нелазерными источниками, например, светодиодами. Осветитель формирует точечный источник, чтобы обеспечить высокую степень пространственной когерентности излучения для возникновения интерференции, но при этом степень временной когерентности остаётся низкой, поскольку спектр подобных источников достаточно широкий, порядка 50нм.

В области медицинских и биологических исследований детализация внутренних структур исследуемых микрообъектов на фазовых изображениях может оказаться недостаточной. В подобных случаях обеспечивается получение дифференциальных фазовых изображений методом дифференциального интерференционного контраста. Дело в том, что фазовое изображение характеризуется двумерным распределением оптической разности хода излучения, прошедшего через объект, а дифференциальное - градиентом оптической разности хода в направлении поперечного сдвига двух идентичных интерферирующих пучков, благодаря чему визуализируются различные мелкие структуры.

Таким образом, для получения количественных фазовых или дифференциальных фазовых изображений с максимальной точностью интерференционный микроскоп должен работать в проходящем низкокогерентном свете нелазерных источников. На сегодняшний день подобных

оптических приборов для получения количественных фазовых изображений мало, а для получения количественных дифференциальных фазовых изображений практически нет.

Ещё одна современная тенденция, которая особенно проявляется в области биологии и медицины, связана с получением изображений исследуемых микрообъектов со сверхразрешением, а также с обеспечением возможности получения их трёхмерных изображений, т.е. томограмм. Для этого необходима реализация многоракурсного углового зондирования объекта в интерференционном микроскопе, что позволит повысить латеральное разрешение методом синтеза апертур [4] или получать необходимые проекционные данные для последующей томографической реконструкции.

Таким образом, задачи получения количественных фазовых и дифференциальных фазовых изображений прозрачных микрообъектов, а также оснащение интерференционного микроскопа системой многоракурсного углового зондирования представляются весьма актуальными.

Цель и основные задачи диссертации

Разработка и исследование интерференционного микроскопа, обеспечивающего получение высокоточных фазовых и дифференциальных фазовых изображений биологических объектов в проходящем низкокогерентном свете, с возможностью их многоракурсного углового зондирования.

Из цели данной работы вытекают основные задачи, решаемые в данной диссертационной работе:

1. Разработка и исследование интерференционного микроскопа для получения фазовых изображений биологических объектов в низкокогерентном проходящем свете.

2. Разработка и исследование способов реализации метода фазовых шагов в микроскопах с интерферометрами общего пути, построенных на базе различных светоделительных призм.

3. Разработка микроскопа со сдвиговым интерферометром Майкельсона для получения дифференциальных фазовых изображений на бесконечно широкой интерференционной полосе в низкокогерентном проходящем свете.

4. Выбор источника низкокогерентного излучения для получения фазовых и дифференциальных фазовых изображений с минимальным уровнем шумов.

5. Разработка и исследование метода формирования многоракурсных изображений в сдвиговом интерференционном микроскопе.

6. Разработка метода калибровки углов зондирования исследуемого объекта при работе интерференционного микроскопа в режиме многоракурсного углового зондирования.

Научная новизна работы

В работе впервые:

- предложена и реализована схема оптического интерференционного микроскопа, работающего в проходящем низкокогерентном свете, для прозрачных объектов, построенного на базе призмы Кёстерса и бипризмы Дове (патент ЯИ 2527316);

- предложен и реализован метод фазовых шагов в интерферометре общего пути на базе бипризмы Дове, который заключается в поперечном смещении бипризмы Дове на линейном моторизованном трансляторе, при этом оптическая разность хода между интерферирующими пучками определяется величиной смещения бипризмы и углом наклона зеркала в интерферометре (патент Яи 2536764);

- показано методом математического моделирования и экспериментальным исследованием, что если в сдвиговом интерферометре Майкельсона обеспечивается поперечный сдвиг между идентичными интерферирующими пучками, величина которого равна радиусу диска Эйри, характеризующего разрешающую способность оптической системы, то формируемое фазовое

изображение является дифференциальным и описывается производной оптической разности хода;

- предложен и реализован метод прямой калибровки углов зондирования исследуемого объекта, основанный на методе покадровой съемки с последующей цифровой обработкой полученных изображений.

Практическая ценность и использование результатов работы

1. Предлагаемые схемы интерференционных микроскопов обеспечивают неинвазивное статическое и динамическое исследование различных фазовых микрообъектов в проходящем низкокогерентном свете.

2. С применением дополнительного программного обеспечения по полученным количественным фазовым и дифференциальным фазовым изображениям исследуемых биологических микрообъектов можно рассчитать массу сухих веществ клеток, выполнить морфологический анализ, сравнить параметры схожих объектов, а также изучить динамику клеточной активности.

3. Интерференционный микроскоп, работающий в проходящем низкокогерентном свете, оснащенный системой углового зондирования, позволяет получать многоракурсные проекционные данные, по которым методами томографии возможно восстановление трёхмерных изображений фазовых объектов, а также увеличение латерального разрешения методом синтеза апертур.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интерференционная микроскопия фазовых объектов в низкокогерентном свете»

Апробация работы

Результаты данной диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

• Научно-техническая конференция «Фотометрия и её метрологическое обеспечение» (Москва, 2013);

• III Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике (Москва, 2014);

• III Всероссийский конгресс молодых учёных I секция научной школы «Методы цифровой обработки изображений в оптике и фотонике» (Санкт-Петербург, 2014);

• Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение фотоники» (Москва, 2015);

• Advanced Microscopy Techniques IV; and Neurophotonics II (Munich,

2015);

• V Съезд Биофизиков России (Ростов-на-Дону, 2015). Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК, 2 патента на изобретение, 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объём диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений.

Общий объём составляет 136 страниц печатного текста, включая 57 рисунков, одну таблицу, список литературы из 59 источников и 4 приложения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. При смещении бипризмы Дове перпендикулярно оптической оси системы, оптическая разность хода А между интерферирующими пучками определяется по формуле

, ч tan (a)

D( d ,a) = 4d--

v J 1 - tan2 (a)

где d - смещение бипризмы, а - угол наклона зеркала интерферометра.

2. Фазовое изображение описывается производной оптической разности хода в направлении поперечного сдвига между интерферирующими пучками при величине сдвига, равной радиусу диска Эйри.

3. Применение точечного светодиода позволяет снизить уровень пространственных и временных шумов, определяющих точность восстановления производной оптической разности хода, на дифференциальных фазовых изображениях до 1.2нм и 0.5нм, соответственно.

4. Для формирования многоракурсных дифференциальных фазовых изображений на интерференционном микроскопе траектория перемещения изображения точечного источника в сдвиговом интерферометре Майкельсона должна быть параллельна оси наклона зеркала, задающего поперечный сдвиг.

Глава 1 Методы визуализации фазовых биологических объектов в микроскопии 1.1 Визуализация фазовых биологических объектов

В истории развития человечества микроскоп является одним из самых выдающихся изобретений, которое позволило изучать микромир [5]. В течение четырехсот лет развития в микроскопии возникло множество методов исследований различных микрообъектов, и, несмотря на всё их многообразие, их объединяет проблема решения двух задач, относящихся к качеству получаемого изображения: увеличение разрешения и увеличение контраста.

Данная работа ограничивается рассмотрением процесса получения количественных данных лишь для некоторых классов фазовых микрообъектов, таких как полимерные плёнки, кристаллы, оптические микродетали, оптоволоконные структуры и т.д., однако, наибольший интерес вызывают биологические микрообъекты, к которым относятся одноклеточные организмы, бактерии, форменные элементы крови, некоторые соматические клетки и т.п.

Любой фазовый объект описывается пространственным распределением показателя преломления, с которым связаны плотность, температура, концентрация вещества, а также ряд других физических параметров, описывающих состояние объекта, который, кроме всего прочего, характеризуется близким к нулю коэффициентом поглощения в оптическом диапазоне. Как следствие, исследуемый объект изменяет преимущественно фазу проходящего через него излучения [6]. Иными словами, без применения специализированных методов визуализации объект будет слабо заметен в поле зрения микроскопа.

Известны методы повышения контраста, при которых в биологические объекты вводятся специальные красители, либо флуоресцентные маркеры. Подобные приёмы являются достаточно эффективными, однако, являются инвазивными и могут приводить к изменениям в самой клетке, вплоть до её гибели [5].

Неинвазивными являются методы, позволяющие представить изменение фазы зондирующего излучения в виде изображения, в каждой точке которого результирующая яркость зависит от оптической разности хода (ОРХ) двух

интерферирующих световых пучков. Подобными методами, ставшими наиболее популярными в практике лабораторных биологических исследований стали фазовый контраст Цернике [7] и микроскопия дифференциального интерференционного контраста [8].

Конструкция фазово-контрастного микроскопа Цернике проста, а метод заключается в преобразовании фазового сдвига между световым пучком, прошедшим через образец, и миновавшим его в изменение яркости. Несмотря на линейность данного метода [7], анализ границ объекта затрудняет ореол, возникающий по периметру фазового изображения.

Метод дифференциального интерференционного контраста лишен подобных недостатков и, кроме того, его важной особенностью является высокая чувствительность к малым изменениям оптической разности хода. Даже в сравнении с классической микроскопией светлого поля дифференциально-интерференционный контраст позволяет лучше визуализировать области с амплитудным поглощением [8]. Однако метод является нелинейным [9], поскольку фазовое изображение содержит информацию не просто об оптической разности хода, а о производной оптической разности хода.

Классическая реализация микроскопа дифференциально-

интерференционного контраста включает в состав оптической схемы поляризационные компоненты. Среди них главным является пара призм Номарского или Волластона, разделяющая входящий световой пучок на два ортогонально поляризованных. Оба пучка проходят сквозь объект с небольшим поперечным сдвигом [10], а затем сводятся в пространстве второй призмой. Вспомогательные поляризационные компоненты обеспечивают их интерференцию и визуализацию исследуемого объекта.

Также к неразрушающим методам, использующим оптические свойства объекта, относятся метод тёмного поля, в котором изображение формируется только за счёт световых пучков, рассеянных фазовым объектом [11], и метод поляризационного контраста, применяемый в случае анизотропии фазового объекта [11]. В последнем случае объект помещается между двух скрещенных

поляризаторов, а его изображение формируется лишь теми световыми пучками, плоскость поляризации оказалась повернута после прохождения сквозь объект.

Перечисленные методы ограничиваются измерением геометрических размеров исследуемых объектов, не позволяя вычислить их иные локальные и интегральные параметры, поскольку обладают возможностью только визуализировать оптическую разность хода (ОРХ) световых пучков или производную ОРХ вдоль направления их сдвига. Данное ограничение накладывает нелинейная зависимость яркости изображения от разности фаз световых пучков, его формирующих.

Для вычисления ОРХ интерферирующих световых пучков необходимо применение методов интерферометрии совместно с возможностями современной вычислительной техники, способной обеспечить автоматизированную расшифровку интерферограмм. Это позволит получить фазовое изображение, содержащие количественные данные (в англоязычной литературе - QPI, Quantitative Phase Imaging), в каждой точке которого известна величина фазового сдвига, обусловленная локальной толщиной и показателем преломления исследуемого объекта.

Изображение объекта, формируемое оптической системой, может быть описано, как

E ( x,y,t ) = E0( x, y, t) • ej( x, y) однако, зарегистрировать быстро меняющиеся колебания в оптическом диапазоне невозможно, поэтому детектор регистрирует квадрат модуля поля |e (x, y, t)|2, что

приводит к полной потере информации о фазе, но если световой пучок, волновой фронт которого искажён фазовым объектом, пространственно совместить с идентичным невозмущенным световым пучком ER, возникнет интерференционная картина, результирующая яркость которой будет нести информацию о фазовом объекте

I (x, y, t) = ^\E (x, y, t) + Er

=|E(x,y)|2 + |ЕЛ |2 + 2|ER • |E(x,y)| • cos[(w)(t - tR) - ((k) - (kR) • r + p(x,y) где (...) означает усреднение, )) - средняя частота излучения, (k) - средний

волной вектор, p(x,y) - искомое распределение фазы.

Опорный световой пучок может проходить больший или меньший оптический путь, определяемый параметром tR, или же распространятся в ином направлении, которое определяет волновой вектор kR. Непосредственное изменение любого из двух параметров обеспечивает нахождение информации о фазе объекта в каждой его точке. Следует отметить, что метод модуляции времени задержки tR, известный также как метод фазовых шагов [5], работает на широкой интерференционной полосе. Алгоритм восстановления требует трёх и более интерферограммам для восстановления фазового изображения. При сведении под определенным углом объектного и опорного световых пучков формируется интерферограмма с узкими полосами и одного снимка может быть достаточно для восстановления фазового изображения методом Фурье. В более общем смысле для улучшения качества фазового изображения можно варьировать оба параметра tR и kR, впоследствии применяя соответствующие методы расшифровки [5].

Количественное фазовое изображение (рис.1.1) можно визуализировать как трёхмерную поверхность, в каждой точке которого известна разность фаз p(x,y).

Рисунок 1.1 [5]. Представление количественного фазового изображения в виде

поверхности.

Однако было бы ошибочно считать подобное представление трёхмерным изображением исследуемого объекта. Сам по себе интерференционный микроскоп не позволяет измерить трехмерное распределение показателя преломления фазового объекта, поскольку фазовое изображение в каждой точке содержит интегральные данные о показателе преломления вдоль направления прохождения излучения через объект.

Задача получения истинно трёхмерных изображений микрообъектов относится к классу задач томографии. Её решение представляет особый интерес, в первую очередь, для биологии и медицины, и подразумевает нахождение значения физической величины в каждой точке исследуемого трёхмерного объекта. Для её решения необходимо обеспечить работу интерференционного микроскопа в режиме многоракурсного углового зондирования, а для получения томограммы применять соответствующие методы томографической реконструкции.

1.2 Существующие интерференционные микроскопы для получения

количественных фазовых изображений

1.2.1 Микроскопы на базе двулучевых интерферометров

Интерференционные микроскопы, построенные на базе двулучевых интерферометров, были одними из первых [8]. Классический пример -интерферометр Майкельсона и построенный на его основе микроинтерферометр Линника (рис. 1.2), первоначально спроектированный как инструментальный микроскоп для работы с непрозрачными объектами в белом свете [12].

При адаптации микроинтерферометра к изучению фазовых объектов, его работа в отраженном свете проявилась как недостаток. Исследуемые объекты размещались на одном из зеркал, в результате чего свет дважды проходил через них. Наблюдение оптически плотных фазовых объектов сопровождалось сильной рефракцией на краях с последующей невозможностью восстановить значение фазы в этих местах. Однако, некоторый класс объектов всё-таки можно изучать на данном микроскопе, пренебрегая краевой рефракцией. К ним относятся объекты с

малой оптической плотностью, например, эритроциты. Впервые, именно на микроинтерферометре Линника удалось определить их толщину (Kinder, 1937).

Рисунок 1.2 [8] - Оптическая схема микроинтерферометра Линника для работы в

отраженном свете.

В классической конфигурации (рис. 1.2) микроинтерферометра Линника используется источник Ь, излучение которого преобразуется в параллельный пучок при помощи коллиматора К. Светоделитель Р разделяет пучок на два идентичных, один из которых попадает на плоское опорное зеркало £ через микрообъектив 02, а второй на предметное стекло М через микрообъектив 0]. В обратном ходе оба пучка сводятся, интерференционная картина увеличивается и наблюдается при помощи пары линза-окуляр, обозначенных как Т и Ы, соответственно.

Позднее, в 1946 г. В.П. Линник предложил модификацию своей схемы для работы в проходящем излучении (рис.1.3) (Линник и Коломийцов, 1957). После коллиматора К излучение делится светоделительным кубиком Р. Один пучок проходит через микрообъективы 0] и 02, между которыми располагается исследуемый объект В, а затем отражается от зеркала Б]. Второй пучок проходит через микрообъектив 03 и вспомогательные оптические компоненты -

компенсаторы Q и Т - для точного выравнивания оптических длин путей в обоих плечах.

Рисунок 1.3 [8] - Оптическая схема микроинтерферометра Линника для работы в проходящем излучении. Остальные оптические компоненты идентичны

предыдущей схеме.

Интерференционный микроскоп В.П. Тычинского

Первый автоматизированный вариант интерференционного микроскопа Линника МИИ-4 был разработан В.П. Тычинским и получил название «Эйрискан» [13]. Его оптическая схема (рис.1.4) идентична изображенной на рис.1.2 за исключением того, что в качестве осветителя используется Не-№ лазер, плоское опорное зеркало установлено на пьезомодулятор, который осуществляет модуляцию опорного плеча, и вместо окуляра для регистрации применяется опто-электронный преобразователь (диссектор).

Рисунок 1.4 [14]. Оптическая схема микроскопа «Эйрискан»

Напряжение на пьезомодуляторе линейно меняется от максимального до минимального с установленным периодом. При наличии фазового объекта на выходе диссектора регистрируется дополнительный импульс, длительность которого пропорциональна фазовому набегу, обусловленного исследуемым объектом [13, 14].

Автоматизированный интерференционный микроскоп на базе МИИ-4 (микроинтерферометр Линника)

Иная модификация микроинтерферометра Линника была создана во ФГУП «ВНИИОФИ». Для автоматизации в МИИ-4 опорное зеркало также было оснащено пьезодвигателем, однако, режим работы микроскопа отличался от «Эйрискана». Для регистрации интерферограмм применялась ПЗС-матрица, а восстановление фазового изображения велось методом фазовых шагов. В качестве источника света был выбран лазерный диод, излучение которого пропускалось через быстровращающийся матовый диск для разрушения пространственной когерентности с целью снижения спекл-шума [1, 15, 16].

В одной из последних модификаций (рис. 1.5) микроскоп оснащается скоростной камерой, обеспечивающей захват до 300 интерферограмм в секунду.

Автоматизированный интерференционный микроскоп

Зеркало предметного канала

ЛШШшХ

а б

Рисунок 1.5 [1]. Автоматизированный интерферометр Линника для живых клеток

(а) и его принципиальная схема (б)

Несмотря на то, что для восстановления одного фазового изображения требуется 10 интерферограмм, - т.е. скорость работы микроскопа фактически ограничивается 30 фазовыми изображениями в секунду, - некоторый класс динамических процессов с разрешением не более 30мс возможно исследовать с помощью данного микроскопа. Однако, даже несмотря на применение диффузора, уровень фазовых шумов на изображениях остаётся высоким и не позволяет различать деталей исследуемых объектов.

Микроскоп Хорна на базе интерферометра Маха-Цандера

Во введении было сказано, что более предпочтительны оптические схемы, обеспечивающие работу в проходящем излучении, поскольку одиночный проход света через объект сопровождается вдвое меньшей рефракцией на его краях. В основе подобных оптических схем лежит двулучевой интерферометр Маха-Цандера [8].

Известна оригинальная схема оптического микроскопа, созданная Хорном, в состав которой включен интерферометр Маха-Цандера (Horn, 1950). Английская экспериментальная группа Королевского Колледжа в Лондоне [17] предложила метод его автоматизации, который получил название «цифровая

интерференционная микроскопия с автоматическим фазовым сдвигом» (англ. DRIMAPS - Digitally Recorded Interference Microscopy with Automatic Phase-Shifting).

Оптическая схема интерферометра (рис. 1.6) такова, что излучение источника делится на два пучка (Beam splitter), один из которых служит предметным (Object beam), а второй - в опорным (Reference beam). В предметное плечо интерферометра помещается кювета с образцом (Specimen), а в опорное -кювета без образца (Dummy specimen) для выравнивания оптических путей в обоих плечах. Предметный пучок однократно проходит через образец, после чего он сводится с опорным пучком вторым светоделителем (Beam combiner). При помощи шагового двигателя (Stepper motor) на котором установлен оптический клин (Optical wedge), между интерферирующими пучками вносится дополнительная разность фаз, кратная п/2. По четырем интерферограммам методом фазовых шагов восстанавливается искомое распределение фазы в образце.

Рисунок 1.6 [18]. Оптическая схема автоматизированного микроскопа Хорна

Микроскоп Хорна сложен в эксплуатации и настройке, поскольку ветви интерферометра разнесены, а это требует точного выравнивания их оптических длин. Тем не менее, несмотря на этот недостаток, метод DRIMAPS позволил существенно расширить возможности обычного микроскопа Хорна для получения количественных данных об исследуемых объектах.

Цифровой голографический микроскоп фирмы Lyncee Tec

На двулучевых схемах Майкельсона и Маха-Цандера базируется конструкция цифрового голографического микроскопа, работающего в режиме вне-осевого интерферометра. По одному изображению, которое модулировано большим количеством интерференционных полос, методом Френеля восстанавливается фазовое изображение объекта.

Историческое начало цифровой голографической интерферометрии восходит к работе Гудмана и Лауренса (Goodman and Lawrence, 1967). Основываясь на том, что распространение электромагнитных волн описывается дифракционной теорией, они показали возможность восстановления голограммы численными методами [5], но популярность цифровая голография приобрела лишь после появления ПЗС-матриц в 1990-х.

Существует достаточно много реализаций цифровых голографических микроскопов. Их конструкции схожи, но особо выделяется Швейцарская компания Lyncee Tec SA, которая серийно производит законченный прибор.

Они представляют несколько модификаций цифрового голографического микроскопа для различных задач, таких как профилометрия, изучение микроэлектромеханических механизмов (рис. 1.7а, 1.7б) и исследование биологических объектов (рис.1.7в) [19].

а б в

Рисунок 1.7 [19]. Конфигурации оптических схем микроскопов компании Lyncee Tec: для работы в отраженном (а, б) и проходящем (в) свете

аб Рисунок 1.8 [19, 20]. Цифровой голографический микроскоп Lyncee Tec (а) и

его принципиальная схема (б)

В микроскопе, предназначенном для работы с биологическими объектами в проходящем излучении (рис. 1.8а), лазерный пучок делится при помощи светоделителя BS и разводится по обоим плечам интерферометра Маха-Цандера (рис.1.8б). При помощи конденсора C формируется пучок, проходящий через объект, а после его сведения с опорным пучком возникает интерференция. По единственной зарегистрированной ПЗС-матрицей (CCD) голограмме, методом Френеля восстанавливается искомое фазовое распределение [20].

При работе цифрового голографического микроскопа на ПЗС-матрице намерено формируется размытое изображение объекта, что необходимо для

работы метода Френеля, однако, это часто затрудняет работу с тонкими прозрачными объектами [5]. Более подходящей для подобных объектов является фазовая микроскопия Гильберта, встречающаяся в англоязычной литературе под аббревиатурой HPM - Hilbert Phase Microscopy.

Фазовый микроскоп Гильберта

Конструкция фазового микроскопа Гильберта практически полностью идентична оптической схеме цифрового голографического микроскопа, построенного на базе интерферометра Маха-Цандера, на выходе которого пучки сводятся под определенным углом, формируя вне-осевую интерферограмму [2].

В отличие от предыдущей схемы здесь ПЗС-матрица совмещена с задней фокальной плоскостью микроскопа, в которой формируется резкое изображение тонкого прозрачного объекта.

Рисунок 1.9 [2]. Экспериментальная схема фазового микроскопа Гильберта.

На каждую интерференционную полосу приходится по 5-6 пикселей ПЗС-матрицы, разрешение которой составляет 640х480 пикселей, а режим её работы обеспечивает регистрацию около 300 к/с при времени экспозиции порядка 1 мс. Следующий за регистрацией шаг - это высокочастотная фильтрация интерферограммы и выполнение преобразования Гильберта [2], давшего название микроскопу, которое обеспечивает вычисление значения фазы в каждой точке полученного изображения.

1.2.2 Микроскопы на базе интерферометров общего пути

Современная тенденция в интерференционной микроскопии - это переход к низкокогерентному свету, источником которого служит обычная галогеновая лампа или светодиод. Малая длина временной когерентности исключает возникновение спекл-шума на интерферограммах, однако, для их формирования возникает необходимость построения интерферометра по схеме общего пути, т.е. с пространственно совмещенными объектной и опорной ветвями.

Основное назначение интерферометров общего пути - сформировать опорный пучок из объектного так, чтобы оптическая разность хода между ними была нулевой [21]. Подобный приём, кроме всего прочего, обеспечивает низкую чувствительность интерференционной картины к вибрациям, воздушным потокам и прочим источникам шума, поскольку они одинаково воздействуют на оба интерферирующих пучка, которые проходят в пространстве идентичные оптические пути.

В зависимости от настройки интерферометра может быть получено либо фазовое изображение, либо производная фазового изображения, т.е. реализован т.н. метод дифференциального интерференционного контраста. В первом случае один из пучков в интерферометре преобразуется в опорный методом пространственной фильтрации или же, при достаточной длине поперечной когерентности, между интерферирующими пучками выставляется поперечный сдвиг так, чтобы в качестве опорного пучка использовать невозмущенную фазовым объектом часть волнового фронта.

Интерферометры общего пути можно условно разделить на два типа: пучок света сначала проходит через образец, а затем попадает в интерферометр, и, наоборот, пучок света сначала разделяется на два и оба направляются на образец. Последний тип встречается редко, потому что большую популярность приобрели т.н. интерференционные приставки [22] - интерферометры, исполненные в виде законченных модулей, которые можно присоединять к выходу обычного коммерческого микроскопа, расширяя, тем самым, его возможности.

Автоматизированный фазоконтрастный микроскоп Цернике

Группа учёных в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне, возглавляемая Г.Попеску разработала подобную интерференционную приставку, расширив возможности обычного фазово-контрастного микроскопа Цернике [23].

Метод получил название SLIM - Spatial Light Interference Microscopy или «интерференционная микроскопия на базе пространственного модулятора света». Основная идея заключается в комбинации метода фазового контраста Цернике и голографии Габора [23].

Рисунок 1.10 [23]. Оптическая схема установки SLIM (a); интерферограммы, полученные с разными фазовыми шагами (b); восстановленное количественное

фазовое изображение нейрона (с).

На выход микроскопа устанавливается оптический модуль (рис. 1.10а), который представляет собой 4f оптическую систему, образованную двумя фурье-объективами (Fourier lens L1 и L2). Её передняя фокальная плоскость совмещена с выходной плоскостью (Image plane) микроскопа, а в задней плоскости помещается регистратор - ПЗС-матрица (CCD).

Внутри 4f оптической системы в фурье-плоскости располагается пространственный жидкокристаллический модулятор света, который работает на

отражение. Модулятор управляется от компьютера и сдвигает фазу нерассеянного излучения, сфокусированного вблизи оптической оси, т.е. он работает как переменный фазовый фильтр Цернике. Сам фильтр имеет форму кольца, поскольку в конденсоре микроскопа используется кольцевая диафрагма, а пучок, отраженный от фильтра, является опорным. Свет, который претерпел дифракцию на объекте, выходит за пределы кольцевого фильтра и отражается от остальной части модулятора, образуя, тем самым, объектный пучок. На выходе 4f оптической системы оба пучка сводятся под нулевым углом и в плоскости ПЗС-матрицы регистрируется интерферограмма.

Так как один из пучков света сформирован из излучения, рассеянного на объекте, то такую интерферограмму можно рассматривать как голограмму Габора [6], а поскольку пучки сводятся под нулевым углом, для восстановления фазового изображения (рис. 1.10c) применяется метод фазовых шагов. В данном случае используется четыре интерферограммы со сдвигом фазы на я/2 (рис.1.10Ь).

Основной недостаток данного интерференционного микроскопа заключается в использовании дорогостоящего фазового жидкокристаллического модулятора света. Другой недостаток связан с тем, что для получения количественной информации о фазовом объекте используется более сложная математическая процедура, чем в обычном методе фазового сдвига. В частности требуется дополнительная регистрация амплитудного изображения, сформированного из рассеянного излучения, нормированного на амплитуду нерассеянного излучения.

Той же группой Г.Попеску был предложен [24] второй вариант интерференционной приставки к фазово-контрастному микроскопу Цернике. Установка, представленная на рисунке 1.11, имеет сходство с предыдущей, однако, пространственный жидко-кристаллический модулятор света в данном случае работает в проходящем излучении и по иному принципу, который заключается во вращении жидких кристаллов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Латушко Михаил Иванович, 2016 год

Список литературы

1. Г.Н. Вишняков, Г.Г. Левин, В.Л. Минаев. Томографическая микроскопия трехмерных фазовых объектов в пространственно-некогерентном свете // Оптика и спектроскопия, т. 95, вып.1, с.131-135 (2003)

2. G. Popescu, T. Ikeda, R.R. Dasari, M.S. Feld. Diffraction phase microscopy for quantifying cell structure and dynamics // Opt. Lett., V. 31, Iss.6, pp.775-777 (2006)

3. N.T. Shaked. Quantitative phase microscopy of biological samples using a portable interferometer // Opt. Lett., V. 37, Iss.11, pp.2016-2018 (2012)

4. M. Kim, Y. Choi, C. Fang-Yen, Y. Sung, K. Kim, R.R. Dasari, M.S. Feld, W. Choi. Three-dimensional differential interference contrast microscopy using synthetic aperture imaging // Journal of Biomedical Optics, V. 17, Iss.2, pp.0260031-0260037 (2012)

5. G. Popescu. Quantitative Phase Imaging of Cells and Tissues. -McGraw-Hill Education, NY USA 2011.

6. Ч. Вест. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982.

7. F. Zernike. How I discovered phase contrast // Science, V. 121, Iss.3141, pp.345-349 (1955)

8. А.Н. Захарьевский, А.Ф. Кузнецова. Интерференционные биологические микроскопы: Цитология, 1961.

9. C.J. Cogswell, C.J.R. Sheppard. Confocal differential interference contrast (DIC) microscopy: including a theoretical analysis of conventional and confocal DIC imaging // Journal of Microscopy, V.165, Iss.1, pp.81-101 (1992)

10. D.B. Murphy, M.W. Davidson. Differential Interference Contrast Microscopy and Modulation Contrast Microscopy, in Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging. -Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2012.

11. Г.И. Роскин. Микроскопическая техника. -М.: Советская наука, 1946.

12. В.П. Линник. Прибор для интерференционного исследования отражающих объектов под микроскопом ("микроинтерферометр") // ДАН СССР, т.1, стр.18-231 (1933)

13. В.П. Тычинский. Компьютерный фазовый микроскоп. -М.: Знание, 1989.

14. В.П. Тычинский. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов // УФН, т. 171, стр.649 (2001)

15. Г.Н. Вишняков, Г.Г. Левин. Томографический микроскоп Линника для исследования оптически прозрачных объектов // Изм. Техника, т. 10, стр. 18-22 (1998)

16. Г.Н. Вишняков, К.С. Закарян, Г.Г. Левин, Е.А. Стрелецкая. Исследование оптически прозрачных объектов при помощи томографического микроскопа Линника // Изм. Техника, т. 1, стр.46-49 (1999)

17. G.A. Dunn, D. Zicha. Phase-shifting interference microscopy applied to the analysis of cell behaviour // Symposia of the Society for Experimental Biology, V. 47, pp.91-106 (1993)

18. G.A. Dunn. Transmitted-light interference microscopy: a technique born before its time // Proceeding of the Royal Microscopical Society, V. 33, pp. 189-196 (1998)

19. Lyncee Tec: URL http://www.lynceetec.com/category/applications/ [Электронный ресурс]

20. P. Marquet, B. Rappaz, P.J. Magistretti, E. Cuche, Y. Emery, T. Colomb, C. Depeursinge. Digital holographic microscopy: a noninvasive contrast imaging technique allowing quantitative visualization of living cells with subwavelength axial accuracy // Optics letters, V. 30, Iss.5, pp.468-470 (2005)

21. Д. Малакара. Оптический производственный контроль -М.: Машиностроение, 1985.

22. N.T. Shaked, P. Girshovitz, Portable low-coherence interferometer for quantitative phase microscopy of live cells. Proc. of SPIE (8589), pp.858913-858913-6 (2013)

23. Z. Wang, L. Millet, M. Mir, H. Ding, S. Unarunotai, J. Rogers, M.U. Gillette, G. Popescu. Spatial light interference microscopy (SLIM) // Opt. Express, V. 19, Iss.2, pp.1016-1026 (2011)

24. T.H. Nguyen, G. Popescu. Spatial Light Interference Microscopy (SLIM) using twisted-nematic liquid-crystal modulation // Biomed. Opt. Express, V. 4, Iss.9, pp.1571-1583 (2013)

25. A. Yariv, P. Yeh. Optical waves in crystals -New York: Wiley, 1984.

26. B. Bhaduri, H. Pham, M. Mir, G. Popescu. Diffraction phase microscopy with white light // Optics letters, V. 37, Iss.6, pp.1094-1096 (2012)

27. V.V. Kononenko, E.V. Zavedeev, M.I. Latushko, V.I. Konov. Observation of fs laser-induced heat dissipation in diamond bulk // Laser Physics Letters, V. 10, Iss.3, pp.036003 (2013)

28. P. Hariharan. Optical Interferometry. -Sydney, Australia: School of Physics University of Sydney, 2003.

29. C.J. Cogswell, N.I. Smith, K.G. Larkin, P. Hariharan. Quantitative DIC microscopy using a geometric phase shifter // Proc. SPIE 2984, pp. 72-81 (1997)

30. M.R. Arnison, K.G. Larkin, C.J.R. Sheppard, N.I. Smith, C.J. Cogswell. Linear phase imaging using differential interference contrast microscopy // Journal of Microscopy, V. 214, Iss.1, pp.7-12 (2004)

31. S.S. Kou, C.J.R. Sheppard. Quantitative phase restoration in differential interference contrast (DIC) microscopy // Proc. SPIE 7000, pp. 700005-1-700005-8 (2008)

32. Nikon Microscopy: [Электронный ресурс] URL http://www.microscopyu.com/articles/dic/desenarmontconfig.html.

33. H.H. Lee, J.H. You, S.H. Park. Phase-shifting lateral shearing interferometer with two pairs of wedge plates // Opt. Lett., V. 28, Iss. 22, pp. 2243-2245 (2003)

34. J.B. Song, Y.W. Lee, H.S. Yang. Instantaneous Phase-Shifting Lateral-Shearing Interferometer // Journal of the Korean Physical Society, V. 52, Iss. 4, pp. 1004-1009 (2008)

35. P. Bon, G. Maucort, B. Wattellier, S. Monneret. Quadriwave lateral shearing interferometry for quantitative phase microscopy of living cells // Opt. Exp., V. 17, Iss. 15, pp. 13080-13094 (2009)

36. Ю.Г. Кожевников. Оптические призмы. Проектирование, исследование, расчёт. -М.: Машиностроение, 1984.

37. Д. Гудмен. Введение в фурье-оптику. -М.: Мир, 1970.

38. Пат. 2527316 Российская Федерация, МПК G 02 B 21/00. Интерференционный микроскоп / Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Латушко М.И.; патентообладатель ФГУП «ВНИИОФИ». - №2013122399/28; заявл. 15.05.2013; опубл. 27.08.2014, Бюл. №24. - 14 с.: ил.

39. D. Malacara, M. Servin, Z. Malacara. Interferogram Analysis for Optical Testingю -USA: CRC Press Taylor & Francis Group, 2005.

40. Пат. 2536764 Российская Федерация, МПК G 01 N 21/55. Способ интерференционной микроскопии / Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Латушко М.И.; патентообладатель Вишняков Г.Н., Левин Г.Г. - №2013138143/28; заявл. 15.08.2013; опубл. 27.12.2014, Бюл. №36. - 18 с.: ил.

41. В.И. Гужов, С.П. Ильиных. Компьютерная интерферометрия. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.

42. P. Girshovitz, N.T. Shaked. Compact and portable low-coherence interferometer with off-axis geometry for quantitative phase microscopy and nanoscopy // Opt Exp, V. 21, Iss.5, pp.5701-5714 (2013)

43. C. Roddier, F. Roddier. Interferogram analysis using Fourier transform techniques // Appl. Opt., V. 26, Iss.9, pp.1668-1673 (1987)

44. M. Takeda. Fourier fringe analysis and its application to metrology of extreme physical phenomena: a review [Invited] // Appl. Opt., V. 52, Iss.1, pp.20-29 (2013)

45. H. Pham, B. Bhaduri, K. Tangela, C. Best-Popescu, G. Popescu. Real time blood testing using quantitative phase imaging // PLoS ONE, V. 8, Iss.2, pp.e55676 (2013)

46. J.F. Casco-Vasquez, R. Juarez-Salazar, C. Robledo-Sanchez, G. Rodriguez-Zurita, F.G. Sanchez, L.M. Arevalo Aguilar, C. Meneses-Fabian. Fourier normalized-fringe analysis by zero-order spectrum suppression using a parameter estimation approach // OPTICE, V. 52, Iss.7, pp.074109-074109 (2013)

47. G. Vishnyakov, G. Levin, V. Minaev, N. Nekrasov. Advanced method of phase shift measurement from variances of interferogram differences // Appl. Opt., V. 54, Iss.15, pp.4797-4804 (2015)

48. K. Lee, K. Kim, J. Jung, J. Heo, S. Cho, S. Lee, G. Chang, Y. Jo, H. Park, Y. Park. Quantitative Phase Imaging Techniques for the Study of Cell Pathophysiology: From Principles to Applications // Sensors, V. 13, Iss.4, pp.4170 (2013)

49. В.Л. Минаев. Интерференционные методы измерения интегральных и локальных параметров фазовых микрообъектов [текст]: дис....канд.'техн.наук: 01.04.05: защищена 01.03.06. - Москва, 2005. - 151с.

50. Digikey Electronics: [Электронный ресурс] URL http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/jul/optical-sensor-application-notes-point-source-emitter

51. Y. Wang, L. Zhang, Y. Ji, Y. Xu, M. Bu, Y. Chen. 3D morpholigical reconstruction of the red blood cell based on two phase images // Optica Applicata, V. XLV, Iss.2, pp.173-182 (2015)

52. N.T. Shaked, Z. Zalevsky, L.L. Satterwhite. Biomedical Optical Phase Microscopy and Nanoscopy: Academic Press, 2012.

53. W. Krauze, A. Kus, M. Kujawinska. Limited-angle hybrid optical diffraction tomography system with total-variation-minimization-based reconstruction // OPTICE, V. 54, Iss.5, pp.054104-054104 (2015)

54. T. Kim, R. Zhou, M. Mir, S.D. Babacan, P.S. Carney, L.L. Goddard, G. Popescu. White-light diffraction tomography of unlabelled live cells // Nat.Photon, V. 8, Iss.3, pp.256-263 (2014)

55. S. Vertu, I. Yamada, J.-J. Delaunay, O. Haeberle, Tomographic observation of transparent objects under coherent illumination and reconstruction by filtered backprojection and Fourier diffraction theorem // Proc.SPIE 6861, pp.686103-686103-9 (2008)

56. Y. Sung, W. Choi, C. Fang-Yen, K. Badizadegan, R.R. Dasari, M.S. Feld. Optical diffraction tomography for high resolution live cell imaging // Opt Exp, V. 17, Iss. 1, pp.266-277 (2009)

57. Y. Kim, H. Shim, K. Kim, H. Park, J.H. Heo, J. Yoon, C. Choi, S. Jang, Y. Park. Common-path diffraction optical tomography for investigation of three-dimensional structures and dynamics of biological cells // Opt Exp, V. 22, Iss.9, pp.10398-10407 (2014)

58. Г.Г. Левин, Г.Н. Вишняков. Оптическая томография -М.: Радио и связь,

1989.

59. Пат. 2140661 Российская Федерация, МПК G 02 B 21/00. Способ конфокальной сканирующей трехмерной микроскопии и конфокальный сканирующий томографический микроскоп / Левин Г.Г., Вишняков Г.Н., Булыгин Ф.В.; патентообладатель Левин Г.Г., Вишняков Г.Н., Булыгин Ф.В.- № 99105071/28; заявл.19.03.1999; опубл.27.10.1999, Бюл. №30.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

О (О

со h-см

1Л

см Z3

an

(19)

RU

do

2 527 31 б13 С1

(51) МПК

G02B 21/00 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2013122399/28, 15.05.2013

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 15.05.2013

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 15.05.2013

(45) Опубликовано: 27.08.2014 Бюл. № 24

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: N.T. Shaked "Quantitative phase microscopy of biological samples using a portable interferometer" Optics Letters, Vol.37, No. 11, pp.2016-2018, 2012. SU 932219 A1 (КИЕВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Т.Г.ШЕВЧЕНКО) 30.05.1982 . US 6721094 В1, 13.04.2004. US 5122648 А, 16.06.1992

Адрес для переписки:

119361, Москва, ул. Озерная, 46, ФГУП "ВНИИОФИ", Степановой О Н.

(72) Автор(ы):

Вишняков Геннадий Николаевич (КЦ), Левин Геннадий Генрихович (1Ш), Латушко Михаил Иванович (1Ш)

(73) Патентообладатель(и): Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") (1Ш)

(54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МИКРОСКОП

(57) Реферат:

Изобретение относится к микроскопии и может быть использовано в биологии, медицине, машиностроении, оптическом приборостроении. Интерференционный микроскоп содержит микроскоп светлого поля для формирования увеличенного изображения объекта в задней фокальной плоскости. 4{ оптическую систему из двух фурье-объективов. передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью микроскопа светлого поля. В задней фокальной плоскости 4{ оптической системы располагается регистратор выходного изображения. Внутри 4{ оптической системы до общей фокальной плоскости располагается светоделитель, формирующий два

пространственно разделенных световых пучка.

сходящихся в общей фокальной плоскости 4{ оптической системы, где размещены два плоских зеркала перпендикулярно оптической оси каждого из пучков. Эти зеркала отражают падающее на них излучение в обратном направлении, а перед одним из зеркал располагается точечная диафрагма, которая пропускает только нерассеяное излучение и формирует опорный пучок. Светоделитель формирует два параллельных пространственно разделенных световых пучка с нулевой разностью хода, а отражающие поверхности плоских зеркал лежат в одной плоскости. Технический результат - повышение точности измерений. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

ГО

сл го

со

О)

о

Стр.: 1

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

О

часе ь-<о со ю см

(.9) ру,..)

2 536 764°3) С1

(51) МПК

вОШ 21/55 (2014.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(•2) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2013138143/28, 15.08.2013

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 15.08.2013

Приоритст(ы):

(22) Дата подачи заявки: 15.08.2013

(45) Опубликовано: 27.12.2014 Бюл.№ 36

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: WO 2013102464 А1, 11.07.2013. ив 2011242543 А1,06.10.2011. АУ О 2011143121А2, 17.11.2011. \УО 2013086527 А1, 13.06.2013

Адрес для переписки:

117485, Москва, ул. Профсоюзная, 92, кв. 97, Вишнякову Г.Н.

(72) Автор(ы):

Вишняков Геннадий Николаевич (1Ш), Левин Геннадий Генрихович (1Ш), Латушко Михаил Иванович (1Ш)

(73) Патснтообладатель(и): ВИШНЯКОВ ГЕННАДИЙ НИКОЛАЕВИЧ (ИЦ),

ЛЕВИН ГЕННАДИЙ ГЕНРИХОВИЧ (ЯЦ)

(54) СПОСОБ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ МИКРОСКОПИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к микроскопии и может быть использовано в биологии, медицине, машиностроении, оптическом приборостроении для исследования фазовых объектов. Технический результат - уменьшение уровня когерентных шумов, снижение требований к юстировке интерферометра, повышение стабильности результатов измерений, повышение точности измерений. Согласно способу интерференционной микроскопии исследуемый микрообъект освещают некогерентным излучением, которое используют для формирования увеличенного изображения микрообъекта в передней фокальной плоскости 4( оптической системы, делят излучение с помощью светоделителя из двух идентичных призм Довс. склеенных по основаниям призм, и направляют оба пучка на одно плоское зеркало.

ГО 01 со О)

О) -и

Пучок, который прошел через обе призмы Довс. пропускают через точечную диафрагму. После обратного прохода через светоделитель оба пучка излучения направляют на уголковый отражатель и регистрируют исходное интерференционное изображение, а затем многократно смешают светоделитель и уголковый отражатель вдоль направления, перпендикулярного основаниям призм. При этом изменяется фаза интерференционных изображений по отношению к исходному и регистрируется набор интерференционных изображений, по которому методом фазовых шагов вычисляют двумерное распределение оптической разности хода излучения, прошедшего через микрообъект. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

К

Стр.: 1

УТВЕРЖДАЮ

АКТ

внедрения в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП «ВНИИОФИ») результатов диссертации М.И. Латушко «Интерференционная микроскопия фазовых объектов в низкокогерентном свете», представленной на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Настоящим актом подтверждается следующее. Во ФГУП «ВНИИОФИ» внедрен разработанный в диссертации М.И. Латушко метод интерференционной микроскопии с низкокогерентным источником света.

Метод использовался при разработке эталонной установки на базе интерференционного микроскопа со сверхвысоким аксиальным разрешением в ходе выполнении НИР «Ангстрем» «Проведение фундаментальных исследований в области измерений геометрических величин с целью создания государственного первичного эталона высоты и плоскостности в субнанодиапазоне с использованием моноатомных структур кремния» (государственный контракт № 120-126 от 28.05.2015).

Начальник НИО М-44 профессор, д.т.н.

Г.Г. Левин