ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ДИФРАКЦИОННЫЙ ФАЗОВЫЙ МИКРОСКОП
TWO-CHANNEL DIFFRACTION PHASE-CONTRAST MICROSCOPE

Изобретение относится к фазовой микроскопии, а именно голографической микроскопии, и может быть использована для измерения параметров поверхностной и объемной (подповерхностной) структуры объектов технического и биологического происхождения. В частности, устройство может быть использовано для контроля параметров микроструктуры промышленных объектов и для измерения морфологических характеристик биологических объектов - объектов биомедицины.
Известны устройства для измерения показателя преломления фазовых объектов, а именно цифровой голографический микроскоп (см. патент US 20 130 308 135), в котором измерение толщины объекта производится посредством измерения оптической толщины. Система освещения цифрового голографического микроскопа включает в себя когерентный источник света и вращающееся матовое стекло для расширения пространственного спектра освещающего излучения. Это позволяет уменьшить радиус поперечной когерентности и, тем самым, снизить влияние спекл-эффекта в интерференционной картине. Объект помещают в одно из плеч голографического микроскопа, собранного по схеме интерферометра Маха-Цендера, и измеряют разность фаз между объектным и опорным плечами интерферометра. Каждое из плеч интерферометра в отдельности представляют собой микроскопическую систему. Матричный фотодетектор регистрирует интерференционную картину со сдвигом полос в области объекта. Данные обрабатывают известными методами обработки интерференционных картин (см. DE 602 004 005 338 D1).
Основной недостаток этого устройства заключен в том, что система неустойчива к механическим вибрациям, вследствие того что опорное и объектное поля в голографическом микроскопе проходят через различные оптические элементы.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для дифракционной фазовой микроскопии с белым светом (см. US 8 837 045). В данном устройстве в блоке осветительной системы взаимозаменяемо используются как низкокогерентный источник (квазимонохроматический светодиод или нить лампы накаливания), так и когерентный источник (лазерный источник). Устройство включает в себя блок осветительной системы на пропускание, блок оптического микроскопа, на месте окуляра которого установлен блок дифракционного фазового модуля. Блок дифракционного фазового модуля состоит из дифракционной решетки, оптической системы, построенной по схеме телецентрической оптической системы (Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М.: Машиностроение, 1966, 565 с.), состоящей из двух собирающих линз (объективов) с пространственным фильтром, расположенным в совпадающих фокальных плоскостях линз. Дифракционная решетка расположена в передней фокальной плоскости первой линзы, которая совпадает с плоскостью действительного изображения объекта, формируемого с помощью блока оптического микроскопа. Дифракционная решетка разделяет оптическое поле на дифракционные поля различных порядков. Дифракционный фазовый модуль как оптическая система представляет собой компактный интерферометр, причем интерферометр в данном устройстве собран по схеме интерферометра Маха-Цендера, но в отличие от голографического микроскопа, свет разделяется на объектный и опорный пучки не делительной пластиной, а дифракционной решеткой, и световые поля опорного и объектного плеч интерферометра проходят через одни и те же оптические элементы, чем достигается высокая устойчивость к вибрациям. Основной недостаток этого устройства заключается в ограниченной возможности измерения либо оптической (для осветительной системы на пропускание), либо геометрической толщины (для осветительной системы на отражение) фазового объекта. При этом не реализуется определение отдельно показателя преломления объекта. Величина показателя преломления объекта определяется другими известными методами, например методом оптической когерентной томографии, при составлении среднестатистических данных по показателям преломления тех или иных объектов.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в реализации возможности измерения показателя преломления фазовых объектов как биологического, так и технического характеров, а также в возможности построения трехмерных изображений распределения показателя преломления в объекте. К задаче, решаемой данным изобретением, также относится реализация возможности восстановления трехмерной структуры и микрорельефа поверхности объекта.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей оптического микроскопа в виде возможности регистрации и измерения пространственных фазовых возмущений, вносимых объектом одновременно по двум каналам дифракционного фазового микроскопа, что позволяет производить расчет локального показателя преломления объекта с использованием экспериментальных данных, получаемых в каждом канале.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве используются одновременно две осветительные системы микроскопа (осветительная система на отражение и осветительная система на пропускание), многоканальный матричный фотодетектор и изменен размер окна пропускания пространственного фильтра. Таким образом, устройство одновременно (по двум цветовым каналам матричного фотодетектора) регистрирует интерференционные картины, в которых содержится количественная информация об оптической и геометрической толщинах объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что дифракционный фазовый микроскоп, включающий первый источник света с центральной длиной волны λ1, микрообъектив для сбора света от первого источника, прошедшего через объект, и направления света на тубусную линзу, предназначенную для формирования изображения на дифракционной решетке на пропускание, расположенной в задней фокальной плоскости тубусной линзы; первую линзу дифракционного фазового модуля, передняя фокальная плоскость которой совпадает с плоскостью дифракционной решетки; вторую линзу дифракционного фазового модуля, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью первой линзы дифракционного фазового модуля; пространственный фильтр с окном для прохождения 1-го порядка дифракциии окном для прохождения 0-го порядка дифракции, выполненным с возможностью блокирования высоких частот пространственного спектра, пространственный фильтр установлен в задней фокальной плоскости первой линзы дифракционного фазового модуля; матрица фотодетектора, расположенная в задней фокальной плоскости второй линзы дифракционного фазового модуля, согласно решению включает второй источник света с центральной длиной волны λ2, делительный куб, размещенный между микрообъективом и тубусной линзой для освещения объекта излучением от второго источника, при этом микрообъектив предназначен для сбора света от второго источника, и освещения объекта параллельным пучком света, а также предназначен для направления света, отраженного от объекта, на тубусную линзу; окно пространственного фильтра для прохождения 1-го порядка дифракции выполнено с возможностью пропускания света от обоих источников; максимум коэффициента пропускания фильтра одной группы пикселей матрицы фотодетектора совпадают с λ1, а максимум коэффициента пропускания фильтра другой группы пикселей совпадают с λ2.
Изобретение объясняется чертежами, где на фиг.1 представлена оптическая схема двухканального дифракционного фазового микроскопа (вид в осевом сечении микроскопа и осветительных систем ОС1 и ОС2). На фиг. 2 представлена схема расположения окон пропускания пространственного фильтра (вид в сечении плоскости пространственного фильтра).
Позициями на чертежах обозначены:
ОС1. Осветительная система на пропускание
ОС2. Осветительная система на отражение (пунктирная линия)
Микроскопическая система (оптический микроскоп)
Дифракционный фазовый модуль
Источник света для осветительной системы на пропускание
Оптическая (конденсорная) система осветительной системы на пропускание
Оптическое поле на выходе оптической системы осветительной системы на пропускание
Устройство позиционирования объекта (предметный столик)
Фазовый объект
Линза микроскопической системы (микрообъектив)
Источник света для осветительной системы на отражение
Оптическая (конденсорная) система осветительной системы на отражение
Делительная призма-куб
Светоотражательная грань делительной призмы-куба
Тубусная линза микроскопической системы
Дифракционная решетка
Оптическое поле опорного плеча интерферометра с меньшей центральной длиной волны источника света двух осветительных систем
Оптическое поле опорного плеча интерферометра с большей центральной длиной волны источника света двух осветительных систем
Оптическое поле объектного плеча интерферометра с наименьшей центральной длиной волны источника света двух осветительных систем
Оптическое поле объектного плеча интерферометра с наибольшей центральной длиной волны источника света двух осветительных систем
Оптическое поле блокированного пространственным фильтром дифракционного порядка с наименьшей центральной длиной волны источника света двух осветительных систем
Оптическое поле блокированного пространственным фильтром дифракционного порядка с наибольшей центральной длиной волны источника света двух осветительных систем
Первая линза дифракционного фазового модуля
Пространственный фильтр
Вторая линза дифракционного фазового модуля
Многоканальный матричный фотодетектор
Многоканальная матрица фотодетектора
221. Окно пространственного фильтра для пропускания первого порядка дифракции
222. Окно пространственного фильтра для пропускания нулевого порядка дифракции
ξ,η – пространственные координаты в плоскости пространственного фильтра
S(ξ,η) – пространственный спектр
m=0,1,2 – номер дифракционного порядка
mλn
0
1
0
1
y – расстояние между 0-ым и m-ным порядками дифракции, n=0,1, где λ<λ, m–порядок дифракции, λ - длина волны, λ - минимальная длина волны двух осветительных систем, λ - максимальная длина волны двух осветительных систем
D – диаметр окна пространственного фильтра для пропускания первого порядка дифракции
0
D – диаметр окна пространственного фильтра для пропускания нулевого порядка дифракции
Устройство включает в себя закрепленные на одном каркасе оптический микроскоп 1 с двумя блоками освещения объекта – осветительная система на пропускание ОС1 и осветительная система на отражение ОС2; и дифракционный фазовый модуль 2. Блок освещения ОС1, оптический микроскоп 1 и дифракционный фазовый модуль 2 расположены на одной оптической оси по ходу распространения света от источника 3. Оптическая ось по ходу распространения света от источника 3 перпендикулярна и пересекается с оптической осью осветительной системы ОС2 на светоотражающей грани 12 делительной призмы-куба 11. Каждый блок освещения содержит источник света и конденсорную систему, причем источники разных блоков освещения имеют различную центральную длину волны (например, возможно использование светодиода квазимонохроматического излучения того или иного цвета или лазерных источников с разными центральными длинами волн излучения) 3, 9. Микроскоп 1 включает в себя два блока освещения и, кроме того, содержит: устройство позиционирования объекта 6; фазовый объект 7; оптическую систему (изображающую оптическую систему), включающую в себя две линзы 8, 13 и предназначенную для формирования изображения на выходе оптического микроскопа 1; делительную призму-куб 11.
Дифракционный фазовый модуль 2 расположен на оптической оси по ходу распространения света источника освещения 3 и содержит пропускающую дифракционную решетку 14; линзу 21; пространственный фильтр 22; линзу 23; многоканальный матричный фотодетектор 24.
0
1
Конструкция. Источник света 3 и оптическая система 4 установлены по системе освещения Кёллера (Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Микроскопы СПб.: Машиностроение, 1969, 512 с.). Объект 7 устанавливают в передней фокальной плоскости линзы (микрообъектива) 8 перемещением устройства позиционирования объекта 6. Линзы 8 и 13 представляют собой микроскопическую систему 1 и установлены следующим образом: задняя фокальная плоскость линзы 8 совмещена с передней фокальной плоскостью линзы 13. Второй блок освещения ОС2 включает в себя линзу 8 микроскопической системы, делительную призму-куб 11, конденсорную систему 10 и источник освещения 9. Причем конденсорная система 10 и источник освещения 9 расположен перпендикулярно главной оптической оси, и блок «делительная призма-куб 11 – конденсорная система 10 – источник освещения 9» расположен между линзой 13 и ее передней фокальной плоскостью таким образом, что задняя фокальная плоскость конденсорной системы 10 (по ходу распространения света от источника 9) совпадает с задней фокальной плоскостью линзы 8 (по ходу распространения света от источника 3). Объект освещен параллельными пучками света обеих осветительных систем, падающими на объект по нормали. Делительная призма-куб 11 установлена так, что светоотражательная грань 12 перенаправляет свет от источника 9 для освещения объекта 7. Светоотражательная грань 12 расположена под углом 45º к основному ходу лучей (оптической оси) и под углом 45º к источнику излучения 9 и оптической системе 10. Источники света обязательно должны быть со спектрально различными центральными длинами волн, значения которых определяются коэффициентами пропускания фильтра и максимумами относительной светочувствительности по двум каналам матричного фотодетектора (например, λ=0,55 мкм, λ=0,65 мкм).
Плоскость изображения оптического микроскопа 1 совпадает с передней фокальной плоскостью линзы 21. В задней фокальной плоскости линзы 13 установлена пропускающая дифракционная решетка. Задняя фокальная плоскость линзы 13 совпадает с передней фокальной плоскостью линзы 21 дифракционного фазового модуля 2. В задней фокальной плоскости линзы 21 (передней фокальной плоскости линзы 23) установлен пространственный фильтр 22 с окнами пропускания разного размера. Фильтр представляет собой 2 отверстия для прохождения 1-го и 0-го порядка дифракции.
Месторасположение центра окна 1-го порядка дифракции определяется по формуле:
,
1
где а - период дифракционной решетки, f – фокусное расстояние первой линзы дифракционного фазового модуля.
Диаметр окна 0-го порядка дифракции 222 рассчитывается по формуле:
,
2
где d – диагональ матрицы фотодетектора, f – фокусное расстояние второй линзы дифракционного фазового модуля.
Диаметр окна фильтра первого порядка дифракции 221:
,
0
где х – линейное разрешение линзы 8, М – увеличение микроскопа 1, NA – числовая апертура линзы 8.
На пространственный фильтр накладываются следующие условия:
0
1
0
1
0
1
Наличие свободной спектральной области, ограниченной условием отсутствия наложения спектров для 2-х длин волн - λ и λ, где λ<λ, m – порядок дифракции, λ - длина волны, λ - минимальная длина волны двух осветительных систем, λ - максимальная длина волны двух осветительных систем:
Математическое описание маски фильтра:
, где
и
где  - маски пространственного фильтра для 0-го и 1-го порядка дифракции, ;  – пространственные координаты в Фурье плоскости,  - волновое число.
Матрица 25 фотодетектора 24 установлена в задней фокальной плоскости линзы 23.
Устройство работает следующим образом.
Одновременно используются оба блока освещения дифракционного фазового микроскопа. После включения источника 3 осветительная система на пропускание ОС1 коллимирует свет от источника 3, оптическое поле на выходе блока ОС1 проходит через фазовый объект 7 и далее микроскоп (линза 8, линза 13) формирует увеличенное изображение объекта в плоскости дифракционной решетки 14 дифракционного фазового модуля 2.
При использовании осветительного блока на отражение ОС2 линза микроскопа 8 участвует в формировании плоской световой волны на объекте 7, затем эта волна, отражаясь от объекта 7, проходит через оптическую систему микроскопа 1 и, аналогично системе на пропускание, изображение объекта формируется на дифракционной решетке 14 дифракционного фазового модуля 2.
0
1
0
1
Дифракционная решетка 14 разлагает оптическое поле 15 на дифракционные порядки (оптические поля 16, 17, 19, 20). Линза 21 фокусирует световые поля дифракционных порядков в своей задней фокальной плоскости. Пространственный фильтр 22 пропускает только два порядка дифракции (первый и нулевой), формируемых обоими источниками освещения объекта. Нулевые порядки дифракции формируют опорные поля 15, 18 (для разных длин волн λ, λ, λ<λ), первые порядки дифракции – объектные поля 16, 17 (аналогично, в зависимости от длины волны источника). Пространственный фильтр блокирует остальные порядки дифракции (например, оптические поля -1 дифракционного порядка 19 и 20). Для оптических полей каждого источника освещения дифракционный фазовый модуль представляет собой собственную интерференционную систему (интерферометр). Для каждой осветительной системы (ОС1 и ОС2) в объектном плече интерферометра световая волна проходит через окно пространственного фильтра без изменений и сохраняет высокочастотные компоненты с сохранением всех пространственных частот объектного поля, которые содержат информацию об объекте, в нулевом порядке происходит блокирование высоких частот пространственного спектра, в результате на детектор падает квазиплоская опорная волна.
В плоскости матрицы 25 фотодетектора 24 одновременно происходит формирование двух интерференционных картин в различных длинах волн – происходит наложение  опорного поля 15 с объектным полем 16; и наложение опорного поля 18 и объектного поля 17. Многоканальный матричный фотодетектор 24 в одном цветовом канале регистрирует интерференционную картину первого оптического канала (оптические поля 15 и 16) и во втором цветовом канале - интерференционную картину второго оптического канала (оптические поля 18 и 17). В общем виде интенсивность интерференционной картины каждого цветового канала, описывается выражением:
,
(1)
0
R
где I(x,y) - распределение интенсивности объектного поля(1-ый дифракционный порядок); I(x,y)=const - распределение интенсивности опорного поля (0-ой дифракционный порядок); a – период дифракционной решетки; φ(x,y) - фазовый набег при прохождении волны через объект или при отражении от поверхности объекта, координаты (х,у) связаны с расположением пикселей многоканального матричного фотодетектора (для данного примера, направление штрихов дифракционной решетки выбрано под углом 45º относительно расположения пикселей многоканального матричного фотодетектора).
Для осветительной системы на пропускание ОС1 интенсивность интерференционной картины вычисляется по формуле:
,(3)
0tran
Rtran
tran
где I(x,y) - распределение интенсивности объектного поля (осветительная система на пропускание); I(x,y)=const - распределение интенсивности опорного поля (осветительная система на пропускание); φ(x,y) - фазовый набег при прохождении волны через объект.
Для осветительной системы на отражение ОС2 интенсивность интерференционной картины будет описываться выражением:
,(2)
Rref
ref
где - распределение интенсивности объектного поля (осветительная система на отражение ОС2); I(x,y)=const - распределение интенсивности опорного поля(осветительная система на отражение ОС2); φ(x,y) - фазовый набег в объектном поле при отражении волны от объекта.
Фаза предметной волны и ее распределение по всему полю изображения несет количественную информацию об исследуемом объекте, например об оптической толщине или о геометрической толщине, в зависимости от используемой схемы освещения. Таким образом, для осветительной системы на пропускание ОС1 фаза предметного поля рассчитывается как:
,
(5)
tran
0
obj
где λ – длина волны источника осветительной системы на пропускание, n(х,у) - показатель преломления окружающей среды, n(х,у) - показатель преломления объекта, l(x,y) - оптическая толщина. Для осветительной системы на отражение ОС2 фаза предметного поля описывается формулой:
,
(4)
ref
где λ– длина волны источника осветительной системы на отражение, h(x,y) - геометрическая толщина (рельеф) объекта.
Фаза объектного поля рассчитывается количественно из комплексной амплитуды регистрируемого сигнала известными методами обработки интерференционных картин (например, при использовании преобразований Гильберта (Ikeda Tetal. Hilbert phase microscopy for investigating fast dynamics in transparent systems // Opt. Lett. 2005. V. 30, №10. P. 1165-1167; Pham H. et al. V. Fast phase reconstruction in white light diffraction phase microscopy // App. Opt. 2013. V. 52, № 1. P. A97-A101) или двумерного Фурье преобразования с пространственной фильтрацией пространственного спектра (Takedaetal. Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and  interferometry // J. Opt. Soc. Am. Vol. 72, №1. Р. 156-160).
Геометрическая толщина h(x,y) (осветительная система на отражение) оптически однородных объектов связана с фазой отраженной от объекта волны φ(x,y) следующим соотношением:
.
(5)
Оптическая толщина может быть рассчитана из фазы прошедшей через объект волны:
.(6)
Для расчета двумерного распределения показателя преломления объекта получаем выражение:
.
(7)
Интерференционные картины записываются в режиме реального времени одновременно по двум каналам дифракционного фазового микроскопа, что позволяет проводить последующие количественные вычисления локального показателя преломления в объекте и выполнять построение трехмерных изображений распределения показателя преломления в объекте в режиме реального времени.