ФАЗОВО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МОДУЛЬ
PHASE-INTERFERENCE MODULE

Изобретение относится к микроскопии и может быть использовано в биологии, медицине, оптическом приборостроении.
Известны интерференционные микроскопы, см., например, М. Франсон «Фазово-контрастный и интерференционный микроскоп» (М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960). Они предназначены для исследования фазовых объектов.
Фазовые объекты, прозрачные для излучения видимого оптического диапазона, широко распространены в биологии и медицине. К ним относятся различные биологические микрообъекты - клетки, ткани, бактерии и др. Эти объекты описываются трехмерным (3D) пространственным распределением показателя преломления, с которым связаны плотность, температура, концентрация и другие физические параметры объекта (Ч. Вест. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982).
При изучении фазовых объектов встает задача их визуализации, так как они обычно прозрачны для зондирующего излучения. На сегодняшний день широко известны следующие методы:
- метод фазового контраста, называемый также методом Цернике, состоящий в том, что фазовый сдвиг в световом пучке, проходящем через фазовый объект, преобразуется в изменение яркости изображения (Bennett, A., Osterberg, H, Jupnik, H. and Richards, О., Phase Microscopy: Principles and Applications, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1951);
nd
- метод интерференционного контраста, состоящий в том, что световой пучок разделяется на два пучка, один из которых проходит сквозь фазовый объект, а второй минует его; интерференция обоих пучков позволяет обнаружить и измерить оптическую разность хода, внесенную фазовым объектом (Hariharan P., Optical Interferometery 2 ed, Academic Press, 2003);
- метод дифференциально-интерференционного контраста (метод Номарского, DIC), состоящий в том, что поляризованный световой пучок разделяется на два ортогонально поляризованных когерентных пучка, которые проходят через фазовый объект оптическими путями различной длины, сводятся и интерферируют (Murphy, D., Differential interference contrast (DIC) microscopy and modulation contrast microscopy, in Fundamentals of Light Microscopy and Digital Imaging, Wiley-Liss, New York, 2001);
- метод темного поля, состоящий в том, что для формирования изображения фазового объекта регистрируются только световые пучки, рассеянные этим объектом (Роскин Г.И., Микроскопическая техника, М.: Изд. «Советская наука», 1946);
- метод поляризационного контраста, состоящий в том, что анизотропный фазовый объект помещается между двух поляризационных фильтров, плоскость поляризации одного из которых повернута на 90° относительно другого; через второй фильтр проходят только те световые пучки, плоскость поляризации которых оказалась повернутой фазовым объектом (Роскин Г.И., Микроскопическая техника, М.: Изд. «Советская наука», 1946).
В настоящее время при исследованиях требуется не только наблюдать и оценивать различные геометрические параметры (площадь, периметр), но и проводить измерения их локальных и интегральных характеристик.
Количественные исследования характеристик фазовых объектов можно проводить с помощью интерференционных микроскопов, основанных на методе интерференционного контраста, так как только они позволяют измерять оптическую разность хода (ОРХ). Другие методы позволяют либо визуализировать, либо измерять производную по направлению от ОРХ (метод дифференциально-интерференционного контраста). Однако широкому распространению интерференционных микроскопов препятствовало отсутствие автоматизированных методов расшифровки интерферограмм, что тормозило внедрение данных микроскопов в практику лабораторных исследований и рутинных измерений.
Ранее интерференционные микроскопы строились по двулучевым схемам интерферометров Майкельсона, Маха-Цендера (А.Н. Захарьевский, А.Ф. Кузнецова. Интерференционные биологические микроскопы. Цитология, 1961).
1.  Схема деления пучков Майкельсона используется в микроинтерферометре академика В.П. Линника (1933). Микроскоп Линника позволяет работать с микрообъективами больших числовых апертур. Для исследования фазовых микрообъектов они должны размещаться на зеркале, расположенном в предметном канале. В этом случае излучение дважды проходит сквозь них (схема на отражение) (В.П. Линник. Прибор для интерференционного исследования отражающих объектов под микроскопом ("микроинтерферометр"), ДАН СССР, 1933). Для больших или плотных объектов двойной проход излучения приводит к сильной рефракции на краях объекта и невозможности реконструкции фазы в данных местах. Необходимость использования предметного стекла с зеркальным напылением также является недостатком данной схемы. Впервые автоматизированный вариант интерференционного микроскопа Линника МИИ-4 был разработан профессором В.П. Тычинским (1989) и назван «Эйрискан» (В.П. Тычинский. Компьютерный фазовый микроскоп.М.: Знание, 1989).
2. Схема деления пучков Маха-Цендера используется в микроскопе Хорна (Horn, 1950). В своем составе он имеет две идентичные ветви, в которых располагаются исследуемый препарат и препарат сравнения. Излучение проходит через исследуемый объект один раз (схема на просвет) (G.A. Dunn. Transmitted-light interference microscopy: a technique born before its time. Proceedings of the Royal Microscopical Society, 1998). Известен также автоматизированный вариант микроскопа Хорна (Zicha и Dunn, 1995) (G.A.Dunn. Transmitted-light interference microscopy: a technique born before its time. Proceedings of the Royal Microscopical Society, 1998). В этом микроскопе используется метод фазовых шагов (K. Creath. Phase-shifting speckle interferometry. Appl.Opt. Vol.24, №18, 1985). Дискретный фазовый сдвиг обеспечивается поперечным перемещением компенсационного клина, управляемого от шагового двигателя. Данный метод получил название DRIMAPS (Digitally Recorded Interference Microscopy with Automatic Phase Shifting - цифровая интерференционная микроскопия с автоматическим фазовым сдвигом). Схема микроскопа Хорна сложна в эксплуатации и настройке, так как требует наличия двух идентичных каналов с одинаково приготовленными препаратами: исследуемого препарата и препарата сравнения.
Основной недостаток двухлучевых схем интерференционных микроскопов состоит в необходимости использования когерентного излучения. Это ведет к большим шумам в интерферограммах и, как следствие, к повышению погрешности реконструкции фазы из интерферограмм. Разнесение в пространстве объектной и опорной ветвей ведет также к тому, что идущие в них лучи по разному реагируют на вибрацию и температурные колебания, что сильно ухудшает виброустойчивость интерференционного микроскопа.
Современная тенденция в интерференционной микроскопии - это создание интерференционной приставки (модуля) к коммерческому микроскопу, в котором используется свет от обычной галогеновой лампы или светодиода с малой длиной когерентности. Это позволяет существенно уменьшить характерные для когерентного излучения шумы (спекл-шум и т.п.). Применение источников излучения с малой длиной когерентности ведет к необходимости использования схем интерферометров с совмещенными объектной и опорной ветвями. Такие интерферометры обычно скомпенсированы на белый свет, т.е. оптическая разность хода в центре поля зрения равна нулю.
Известен фазово-интерференционный микроскоп, описанный в работе В. Bhaduri et.al. ”Diffraction phase microscopy with white ligh”. Optics Letters, Vol.37, No.6, PP.1094-1096, 2012. Этот интерференционный микроскоп содержит коммерческий инвертированный микроскоп светлого поля с источником света в виде галогеновой лампы для формирования увеличенного изображения объекта в выходной плоскости этого микроскопа, 4f оптическую систему из двух фурье-объективов, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью микроскопа светлого поля, а в задней фокальной плоскости 4f оптической системы располагается регистратор выходного изображения. В передней фокальной плоскости 4f оптической системы размещена дифракционная решетка, которая производит множество дифракционных порядков, содержащих всю информацию об объекте. Внутри 4f оптической системы в общей фокальной плоскости (Фурье-плоскости) располагается амплитудный пространственный фильтр, состоящий из точечной диафрагмы, совмещенной с оптической осью (нулевым порядком дифракции), формирующий опорный пучок, и прямоугольной диафрагмы, полностью пропускающей излучение в первом порядке дифракции. В задней фокальной плоскости 4f оптической системы в плоскости регистратора сходятся два плоских пучка под небольшим углом и формируют интерферограмму объекта в полосах конечной ширины. Данная схема, по сути, представляет собой двухлучевой интерферометр Маха-Цендера, в котором опорный пучок формируется из излучения, прошедшего через точечную диафрагму, а второй объектный - из излучения в 1-ом порядке дифракции. Недостаток данного интерференционного микроскопа заключается в том, что объектный и опорный пучки формируются на входе в 4f систему и поэтому они проходят разные пути в свободном воздушном пространстве. Следовательно, они по-разному будут подвержены флуктуациям воздуха, что ведет к нестабильности интерференционной картины. Другой недостаток состоит в том, что для расшифровки интерференционной картины можно применять только алгоритм Фурье. Более точный метод - метод фазового сдвига - требует изменения оптической длины пути одного из плеч интерферометра, что трудно сделать в данной схеме.
Известен интерференционный микроскоп, описанный в работе Z. Wang et.al. ”Spatial light interference microscopy (SLIM)”, Optics Express, Vol.19, No.2, PP.1016-1028, 2011, наиболее близкий к предлагаемому интерференционному микроскопу.
Он состоит из оптического микроскопа для формирования увеличенного изображения объекта в выходной плоскости этого микроскопа. Далее к микроскопу добавлен оптический модуль в виде 4f оптической системы из двух фурье-объективов, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью микроскопа, а в задней фокальной плоскости 4f оптической системы располагается регистратор выходного изображения. Внутри 4f оптической системы в общей фокальной плоскости (Фурье-плоскости) располагается не амплитудный, а фазовый пространственный фильтр, работающий на отражение. Фильтр выполнен в виде чисто фазового пространственно-временного модулятора света, управляемого от компьютера, который сдвигает фазу нерассеянного излучения, сфокусированного вблизи оптической оси, т.е. он работает как переменный фазовый фильтр Цернике. Отраженный от этой части модулятора свет формирует опорный пучок. Свет, который претерпел дифракцию на объекте, отражается от остальной части модулятора и образует объектный пучок. В результате, в задней фокальной плоскости 4f оптической системы, в плоскости регистратора, сходятся две волны под нулевым углом и формируют интерферограмму, аналогичную той, которая получается при настройке интерферометра на бесконечно широкую (нулевую) полосу. Так как один из пучков света сформирован из излучения, рассеянного на объекте, то такую интерферограмму можно также рассматривать как голограмму Габора. Для расшифровки интерферограммы используется четыре кадра со сдвигом фазы на π/2.
Основной недостаток данного интерференционного микроскопа заключается в том, что в нем переменный фазовый фильтр Цернике выполнен на основе чисто фазового пространственно-временного цифрового модулятора света. Такой модулятор имеет ряд недостатков:
- большие фазовые искажения, доходящие до величины 1/3 от длины волны используемого излучения, вызванные многослойностью структуры модулятора, состоящего из кремниевой подложки, слоя жидкого кристалла, прозрачного электрода и защитного стекла;
- нелинейность преобразования шкалы серого в фазовую модуляцию, что ведет к погрешности при создании требуемых фазовых шагов;
- дискретная пространственная структура с большим размером пиксела 15×15 мкм;
Все эти недостатки ведут к уменьшению точности реконструкции фазы из серии интерферограмм. В указанной выше работе в качестве такого модулятора использовался жидкокристаллический чисто фазовый модулятор света (LCPM), модель XY Phase Series Model P512-635 фирмы Boulder Nonlinear Systems, Inc, США. Его технические характеристики взяты с сайта фирмы (http://www.bnonlinear.com/products/xvslm/XY.htm) Основное достоинство данного модулятора состоит в большом количестве градаций по фазе от 256 и до 512 уровней при максимально достижимом фазовом сдвиге 2π. Но в данном приложении используется всего 4 уровня по фазе в малой пространственной зоне в несколько пикселов. При этом модулятор имеет высокую цену модулятора, которая может доходить до 15 тысяч долларов.
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в уменьшении фазовых искажений, повышении линейности фазового сдвига и повышении точности измерений.
Решение поставленной задачи достигается посредством того, что в фазово-интерференционном модуле, содержащем микроскоп для формирования увеличенного изображения микрообъекта в задней фокальной плоскости этого микроскопа, 4f оптическую систему из двух фурье-объективов, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью микроскопа, а в задней фокальной плоскости 4f оптической системы располагается регистратор выходного изображения, внутри 4f оптической системы до общей фокальной плоскости располагается светоделитель, а в общей фокальной плоскости 4f оптической системы размещен фазовый пространственный фильтр Цернике, работающий на отражение, выполненный в виде плоского зеркала, состоящего из неподвижной плоской зеркальной детали с узким отверстием в центре и подвижной плоской зеркальной детали, установленной в этом отверстии с возможностью перемещения в направлении нормали к поверхности неподвижной детали, причем центр подвижной плоской зеркальной детали совпадает с оптической осью 4f оптической системы.
Уменьшение фазовых искажений, вносимых предлагаемым фильтром, достигается тем, что в нем отсутствуют многочисленные прозрачные слои. Фильтр представляет собой плоское зеркало, отклонение от плоскостности которого при современном уровне технологии изготовления оптических элементов может быть не хуже 1/20 от длины волны на диаметре 30 мм. Так как размер рабочей зоны фильтра не превышает 5 мм, то отклонение от плоскости будет еще меньше. Местные отклонения от плоскости или шероховатость полированной поверхности зеркала не превышают единиц нанометров.
Повышение линейности фазового сдвига связано с тем, что в предлагаемом фильтре фазовый сдвиг прямо пропорционален механическому смещению подвижной детали, которое можно выполнить с высокой точностью с помощью пьезопривода.
Возможен вариант фазово-интерференционного модуля, отличающийся тем, что подвижная плоская зеркальная деталь закреплена на пьезоэлементе.
Далее предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемым чертежом.
Фиг.1 иллюстрирует принципиальную схему модуля, состоящую из двух частей: коммерческого микроскопа I и интерференционной приставки II. Микроскоп I состоит из источника частично-когерентного света 1, например, светодиода; собирающего оптического элемента 2, например, коллекторной линзы; элемента, ограничивающего поперечное сечение световых пучков 3, например, полевой диафрагмы; элемента, формирующего точечный источник света 4, например, точечной диафрагмы; оптического элемента 5, формирующего параллельный пучок излучения, например коллимационной линзы; фазового объекта 6; оптического элемента 7, например, микрообъектива; светоотражательного элемента 8, например, плоского зеркала; оптического элемента 9, например, окулярной линзы, формирующего увеличенное изображение в задней фокальной плоскости 10 оптического элемента 9. Интерференционная приставка II включает 4f оптическую систему из оптических элементов 11 и 12, например, фурье-объективов, передняя фокальная плоскость которой совмещена с задней фокальной плоскостью 10 микроскопа, а в задней фокальной плоскости 13 которой установлен регистратор 14 изображения, например, ПЗС-матрица; светоделитель 18, например, клинообразная пластина или кубик, расположенный до общей фокальной плоскости 4f системы; фазовый пространственный фильтр Цернике, состоящий, например, из неподвижной плоской зеркальной детали 15 с узким отверстием, в которое устанавливается подвижная плоская зеркальная деталь 16. Другой вариант осуществления изобретения основан на том, что подвижная плоская зеркальная деталь 16 закреплена на пьезоэлементе 17.
На Фиг.1 формируется параллельный пучок частично-когерентного излучения источника 1 при помощи оптических элементов 2 и 5, между которыми расположены полевая диафрагма 3, ограничивающая поперечное сечение светового пучка, и точечная диафрагма 4, выполняющая роль точечного источника.
Параллельный пучок света проходит через фазовый объект 6, который расположен в передней фокальной плоскости оптического элемента 7, задняя фокальная плоскость которого совмещена с передней фокальной плоскостью оптического элемента 9. В задней фокальной плоскости 10 оптического элемента 9 строится увеличенное изображение фазового объекта 6. Светоотражательный элемент 8 является вспомогательным для уменьшения конструкции микроскопа.
Задняя фокальная плоскость микроскопа совмещена с передней фокальной плоскостью 4f оптической системы. В ней излучение проходит через оптический элемент 11, затем через светоделитель 18, за которым в общей фокальной плоскости формируется спектр пространственных частот.
В общей фокальной плоскости 4f системы установлен фазовый пространственный фильтр Цернике, состоящий из неподвижной плоской зеркальной детали 15 с узким отверстием, в котором устанавливается подвижная плоская зеркальная деталь 16, причем центр подвижной плоской зеркальной детали совпадает с оптической осью 4f оптической системы. Подвижная плоская зеркальная деталь 16 может перемещаться в направлении нормали к поверхности неподвижной детали на известную величину Δ, что позволяет вносить фазовый сдвиг между рассеянным и нерассеянным излучениями и реализовать метод интерферометрии фазовых шагов. Излучение беспрепятственно отражается от элементов 15 и 16 и распространяется в обратном направлении. Таким образом, формируются опорный и предметный пучки. В обратном ходе отраженные лучи совмещаются в пространстве светоделителем и проходят через оптический элемент 12, который строит в задней фокальной плоскости 13 интерференционное изображение фазового объекта 6, фиксируемое регистратором 14.
Метод фазовых шагов реализуется созданием разности хода между интерферирующими опорным и предметным пучками путем смещения подвижной плоской зеркальной детали 16, установленной на пьезоэлементе 17, на известную величину Δ вдоль оптической оси системы.
Устройство работает в два этапа следующим образом.
Исследуемый фазовый объект 6 помещается в передней фокальной плоскости микроскопа и регистрируется его первое интерференционное изображение. Далее в фазовом пространственном фильтре Цернике подвижная зеркальная деталь 16 смещается на величину Δ=λ/4, где λ - центральная длина волны используемого излучения. Это вызывает фазовый сдвиг на π/2 радиан относительно предметного пучка, отраженного от неподвижной плоской зеркальной детали 15. В результате формируется другое интерференционное изображение микрообъекта. Последовательное смещение подвижной плоской зеркальной детали 16 на указанную величину Δ ведет к формированию серии интерференционных изображений с различной начальной фазой, по которым восстанавливается фазовое изображение объекта 6 по методу фазовых шагов.
Возможен также вариант осуществления изобретения, когда подвижная зеркальная деталь 16 закреплена на пьезоэлементе для реализации метода фазового сдвига.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает решение указанных выше технических задач за счет следующих существенных признаков используемого устройства: фазовый пространственный фильтр Цернике выполнен в виде плоского зеркала, состоящего из неподвижной плоской зеркальной детали с узким отверстием в центре и подвижной плоской зеркальной детали, установленной в этом отверстии и имеющей возможность перемещаться в направлении нормали к поверхности неподвижной детали, причем центр подвижной плоской зеркальной детали совпадает с оптической осью 4f оптической системы, что позволяет уменьшить фазовые искажения, повысить линейность фазового сдвига и точность измерений.
Хотя заявляемое в качестве изобретения устройство описано на примере его конкретного варианта осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного устройства, не выходящие за границы идеи и объема правовой охраны изобретения, определяемые прилагаемой формулой.