МЕТОД ОДНОКАДРОВОЙ РЕГИСТРАЦИИ НЕСКОЛЬКИХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЦИФРОВЫХ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
METHOD FOR SINGLE-FRAME REGISTRATION OF SEVERAL SPECTRAL DIGITAL HOLOGRAPHIC IMAGES

Изобретение относится к технологиям оптической цифровой голографии и предназначено для регистрации спектральных цифровых голографических изображений.
Известны методы и устройства, в которых регистрируется цифровая голограмма, содержащая информацию о двумерном распределении фазовой задержки световой волны, вносимой оптически прозрачным объектом, а соответственно, о поперечном распределении оптической толщины объекта, что позволяет определить некоторые свойства объекта, например, локальные значения толщины или показателя преломления.
Известны также методы и устройства, в которых регистрируются цифровые голограммы на нескольких разных длинах волн. Данные методы и устройства предназначены для целого ряда задач: для получения цветных амплитудных изображений, для определения спектральной зависимости фазовой задержки или показателя преломления, что может быть использовано для качественного и количественного анализа локального состава объекта и выявления его структуры.
Последовательная регистрация требует переключения длины волны излучения в оптической системе. Это может быть реализовано разными способами: путем изменения длины волны перестраиваемого лазера [US 7127109 В1], или включением и выключением нескольких фиксированных узкополосных источников, излучение которых сведено в один пучок [US 6809845 B1, KR 101125842 B1], или выделением при помощи подвижной амплитудной маски спектральных каналов в дифракционном спектре разложения широкополосного излучения [US 8837045 B2]. Эти методы, однако, непригодны для изучения быстропротекающих процессов.
В этом случае необходимо реализовать одновременную регистрацию, для чего необходимо одновременно излучать формировать несколько спектральных компонент и одновременно их селективно регистрировать. Это осуществляют с помощью многоканальных схем, например, для создания многоволнового источника излучения используют комбинацию двух [US 7312875 B2, US 7349100 B2] или трех [US 7978336 B2] лазеров либо нескольких светодиодов [US 8325400 B2].
Для одновременной регистрации применяют как приемники излучения с цветным мозаичным растром (пространственно-чередующемся множестве спектральных фильтров) с двумя [RU 2608012 C2], тремя [US 8325400 B2] и более [RU 2713567 C1] спектральными каналами, так и монохромные матричные приемники излучения [US 7116425 В2, US 10488175 B2]. В первом случае селекцию длин волн обеспечивает цветной мозаичный фильтр. При использовании монохромной матрицы селекция осуществляется пространственным разделением каналов, что приводит к различию ориентации интерференционных полос голограммы, и соответствующим разделением спектральных компонент в фурье-спектре при цифровой обработке голограммы.
К недостаткам многоканальных схем относится их сложная конструкция и относительно большие габариты, и особенно, сложности сведения спектральных каналов и необходимость прецизионной юстировки и ее сохранения в ходе работы. Дополнительные конструктивные проблемы создает схема с пространственным разнесением каналов для их регистрации на монохромную матрицу.
Использование приемников с цветным мозаичным растром имеют целый ряд недостатков. Во-первых, он страдает от спектральных помех, обусловленных перекрытием кривых пропускания каждого цветного фильтра мозаичного растра, что приводит к зашумлению основного сигнала интерференционными картинами в соседних спектральных интервалах. Во-вторых, число спектральных каналов, как правило, невелико, т.к. уже при 4-х каналах спектральное изображение формируется пикселами матрицы, расположенными через один, т.е. с пропусками. В-третьих, связанная с этим необходимость пространственной интерполяции данных вызывает артефакты в восстановленных амплитудных и фазовых изображениях. Это существенно снижает качество, в частности, разрешение регистрируемых спектральных голографических изображений.
Одним из технических решений, позволяющих избежать недостаток многоканальных схем, является способ формирования многоволнового источника излучения за счет фильтрации широкополосного излучения акустооптическим (АО) фильтром, работающим в режиме полихроматора [RU 2713567 C1]. При этом разделение спектральных интерференционных картин осуществляется с помощью камеры с мультиспектральным мозаичным фильтром, который определяет количество спектральных каналов и их положение в спектре. Этот способ таким образом сохраняет все ограничения и недостатки методов, использующих мозаичный растр.
Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.
Техническим результатом изобретения является возможность одновременной регистрации множества цифровых голографических изображений в узких спектральных интервалах в пределах широкого диапазона без спектральной перестройки с помощью монохромного матричного приемника излучения, что позволяет повысить скорость сбора данных и снизить погрешности восстановления амплитудно-фазовой структуры исследуемых объектов за счет совместной обработки нескольких спектральных голограмм.
Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ регистрации фазовых изображений микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах, состоящий в формировании коллимированного светового пучка широкополосного излучения, выделении из него совокупности нескольких длин волн с использованием АО фильтра-полихроматора, направлении отфильтрованного излучения на вход двухлучевого интерферометра, в одном из каналов которого располагается исследуемый объект, сведении волновых фронтов из объектного и опорного плеч интерферометра, регистрации интерференции этих фронтов монохромным матричным приемником излучения.
При этом интегральные интенсивности окон пропускания АО фильтра и их положения по частоте подбираются так, что фурье-образы интерферограмм, сформированных излучением из различных спектральных окон пропускания, близки по интенсивности и разнесены по положению в фурье-плоскости так, что могут выделены по отдельности. Путем цифровой обработки каждой из них вычисляют пространственное распределение фазовой задержки, вносимой исследуемым объектом, и, как следствие, спектральную зависимость этой величины в каждой точке объекта.
Изобретение поясняется чертежом.
1
2
N
На Фиг. 1 показана структурная схема, поясняющая описанный метод, где 1 - широкополосный источник света, 2 - коллимирующая оптическая система, 3 - АО фильтр-полихроматор, 4 - двухлучевой интерферометр, 5 - исследуемый объект, 6 - монохромный матричный приемник излучения. Спектры показывают спектральный состав излучения до и после полихроматора. Показано фурье-преобразование зарегистрированной мультиспектральной цифровой голограммы, из которого путем цифровой обработки могут быть выделены интерференционные картины, соответствующие различным длинам волн: λ, λ…λ.
Осуществление изобретения
Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно элементов: широкополосного источника света 1; коллимирующей оптической системы 2, обеспечивающей светоэнергетическое сопряжение источника света 1 и АО фильтра-полихроматора 3, двухлучевого интерферометра 4, в одном из плеч которого установлен исследуемый объект 5; монохромного матричного приемника излучения 6.
Отличием изобретения является то, что АО фильтр-полихроматор имеет эквидистантное по оптической частоте расположение окон пропускания с коэффициентами пропускания, регулируемыми за счет изменения подаваемой мощности ультразвука, а в качестве матричного приемника излучения 6 используется монохромный матричный приемник излучения. Интегральные интенсивности окон пропускания АО фильтра и их положения по частоте подбираются так, что фурье-образы интерферограмм, сформированных излучением из различных спектральных окон пропускания, близки по интенсивности и разнесены по положению в фурье-плоскости. Устройство на основе предлагаемого метода отличается высокой скоростью регистрации, определяемой только временем экспонирования приемника излучения, компактностью, высоким спектральным разрешением, отсутствием подвижных элементов. Пространственное разрешение устройства не ограничено наличием цветного мозаичного растра, и, как следствие, с его помощью можно восстанавливать изображения более высокого качества.
В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант схемы, заключающийся в использовании в качестве интерферометра 4 - интерферометра Маха-Цендера, а в качестве фильтра-полихроматора - АО перестраиваемого фильтра 3, работающего в режиме многочастотной (полихроматической) генерации, выделяющего из поступающего на его вход излучения набор заданных узких спектральных интервалов и одно направление поляризации. Количество спектральных интервалов и их центральные длины волн должны выбираться заранее, исходя из параметров и свойств объекта исследования с учетом возможности разделения соответствующих им пиков в фурье-спектре голограммы. Мощность ультразвуковых волн, соответствующих различным окнам пропускания, задается по результатам расчета, моделирования или подбирается интерактивно с целью обеспечения близких интенсивностей амплитуд фурье-образов всех спектральных интерферограмм.
В альтернативном варианте осуществления, обеспечивающем большее число спектральных каналов, реализуется вариант схемы, в котором за АО фильтром-полихроматором располагается АО спектральный делитель, отклоняющий излучение, соответствующее четным спектральным каналам, выделяемым фильтром-полихроматором, пропускающий остальное излучение и ориентированный так, что плоскость дифракции излучения в нем перпендикулярна плоскости дифракции излучения в фильтре-полихроматоре.
Система работает следующим образом.
Исследуемый объект 5 устанавливают в объектное плечо интерферометра 4. Задают N частот ультразвука, подаваемых на АО ячейку 3 и соответствующих требуемым длинам волны света. На выходе интерферометра 4 появляются два совмещенных световых одинаково поляризованных пучка, формирующие N интерференционных картин. Все эти картины регистрируется одновременно одним монохромным матричным приемником излучения 6 за счет мультиплексирования сигналов с разной несущей частотой. В дальнейшем для получения спектральной зависимости пространственного распределения фазовой задержки, внесенной объектом, каждый из этих сигналов выделяют за счет разделения соответствующих им пиков в фурье-спектре голограммы и подвергают цифровой обработке по отдельности.
В ходе предварительной оптимизации системы длины волн, выделяемые АО фильтром-полихроматором, могут индивидуально подстраиваться, каждая в пределах, допускающих отдельную обработку сигнала, для получения максимального парциального сигнала или минимизации фоновой засветки и других помех.