МАЛОГАБАРИТНЫЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРООБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к области голографии, точнее - к портативным приборам для визуализации микрообъектов, и может использоваться в медицине и биологии для трехмерной визуализации фазовых микрообъектов, прозрачных в лазерном свете, и измерения их морфологических параметров.
Фазовыми называются прозрачные объекты, изменяющие только фазу зондирующего излучения. К ним относятся, например, живые клетки, в частности, эритроциты, исследование которых представляет большой научный интерес, т.к. кровь является одной из важнейших систем поддержания гомеостаза организма.
Известно устройство - голографический интерференционный микроскоп /Голографические методы трехмерной визуализации фазовых микрообъектов. Т.В.Тишко, В.П.Титарь, Д.Н.Тишко. Оптический журнал, т.72, №2, c.48-55, 2005./, состоящее из лазера, зеркал, поляризаторов, коллиматора, размещенного по ходу опорного пучка, узла для размещения исследуемого объекта, голограммы (узла ее регистрации), объектива и окуляра, размещенных по ходу объектного пучка до и после объекта, блока регистрации изображения, расположенного после окуляра по ходу объектного пучка, закрепленных на виброзащищенном столе.
В качестве источника излучения в микроскопе используется лазер. Излучение лазера, отраженное зеркалом, и полупрозрачным зеркалом, делится на два пучка: объектный и опорный. Объектный пучок, отраженный зеркалом, проходит через объектив микроскопа и падает на фотопластинку (голограмму). Опорный пучок, отраженный зеркалом проходит через объектив и падает на голограмму. Опорный пучок необходим для записи и восстановления голограммы. На фотопластинке с помощью опорного пучка регистрируется голограмма микрообъекта. Результат интерференции объектной волны и восстановленной с голограммы ее копии наблюдают в окуляр. Расположение голограммы между объективом и окуляром микроскопа позволяет увеличить поле зрения микроскопа за счет возможности перемещения окуляра в плоскости, перпендикулярной лучу. Необходимый период интерференционных полос формируется поперечным сдвигом голограммы. При размещении микрообъекта перед объективом микроскопа его изображение наблюдается в окуляр и регистрируется с помощью блока регистрации (фотоаппарат или TV-камера). Для получения максимального контраста изображений необходимо, чтобы интенсивности и поляризации взаимодействующих волн были одинаковы. С этой целью в схему введены поляризаторы. Два поляризатора обеспечивают одинаковую поляризацию взаимодействующих волн. Вращением направления плоскости поляризации третьего поляризатора относительно плоскости линейной поляризации второго поляризатора плавно выравниваются интенсивности взаимодействующих волн.
Так как в схеме голографического интерференционного микроскопа используется голограмма, то голографический микроскоп должен находиться на специальном виброзащищенном столе. Устройство позволяет осуществить визуализацию фазовых биологических объектов с помощью голографического метода интерферометрии в полосах конечной ширины. Введение полос конечной ширины осуществляется путем перемещения фотопластинки, на которой зафиксирована голограмма объектного пучка в отсутствие изучаемого препарата.
При этом требуется высокая точность, что усложняет эксплуатацию устройства и является недостатком. Кроме того, прибор не малогабаритный, не подлежит транспортировке, которая очень часто необходима для проведения исследований, например, в медицине для анализов крови (исследования эритроцитов) в нестационарных условиях.
За прототип предлагаемого устройства взят малогабаритный голографический интерференционный микроскоп для исследования микрообъектов /В.Б.Константинов, В.А.Бабенко, А.Ф.Малый. ЖТФ, т.77, вып..12, с.92-95, 2007./,. содержащий связанные между собой жестким, защищающим от вибраций каркасом, выполненные в виде единого устройства, лазер, светоделитель для разделения лазерного пучка на объектный и опорный, размещенные по ходу опорного пучка зеркала и линза, последовательно расположенные по ходу объектного пучка конденсер, узел для размещения исследуемого объекта, объектив, и матовое стекло, узел регистрации голограммы, и узел визуализации исследуемого объекта (телекамера).
Устройство-прототип является переносным, обеспечивает возможность визуализации биологических объектов и кристаллов путем наблюдения восстановленных изображений с голограмм.
Недостатками прототипа является то, что он не обеспечивает визуализацию фазовых микрообъектов и не позволяет восстанавливать их рельеф поверхности.
Недостатком прототипа также является необходимость перезаписи голограмм для каждого исследуемого объекта, что требует наличия соответствующей системы регистрации для записи голограмм: либо специального узла с фототермопластическим носителем, либо системы проявления фотопластинок, что приводит к увеличению трудоемкости при эксплуатации устройства и увеличению времени исследований.
Предлагаемое устройство позволяет восстанавливать рельеф поверхности фазовых микрообъектов.
Задача решается малогабаритным голографическим интерферометром для исследования микрообъектов, включающим закрепленные на жестком каркасе лазер, светоделитель для разделения лазерного пучка на объектный и опорный, размещенные по ходу опорного пучка зеркала и микролинзу, последовательно расположенные по ходу объектного пучка оптическую систему из трех элементов, между вторым и третьим элементами которой расположен узел для размещения исследуемого объекта, матовое стекло, узел регистрации голограммы и узел визуализации исследуемого объекта, вторым элементом упомянутой оптической системы является зеркало, а третий выполнен в виде объектива, отличающийся тем, что первый элемент упомянутой оптической системы выполнен в виде коллиматора, формирующего параллельный пучок, соразмерный с апертурой объектива, а между упомянутыми объективом и матовым стеклом дополнительно установлена стеклянная плоско-параллельная пластина с возможностью изменения угла ее наклона относительно оси объектного пучка.
Сущность поясняется тем, что предлагаемое устройство позволяет вводить интерференционные полосы, локализуемые в плоскости рассеивателя (матовое стекло), поворотом плоско-параллельной пластины, при однократной записи голограммы (при используемом проекционном объективе) для исследования разных микрообъектов, вносящих в световую волну разность хода до десятка длин волн, что приводит к возможности получения интерферограмм (в отличие от голограмм в прототипе) и восстановления по ним формы поверхности объектов.
Введение в оптическую схему коллиматора, который формирует параллельный пучок света, обеспечивает разность хода, возникающую в объектном пучке из-за набега фазы, пропорциональную локальным изменениям толщины микрообъекта, что дает возможность получить интерференционную картину, требуемую для дальнейшей обработки. Кроме того, коллиматор позволяет сформировать диаметр пучка, соответствующий размеру входа объектива, который не создает дифракционной картины на выходе объектива, искажающей выходное изображение объекта. Больший пучок будет давать дифракционную картину на входной апертуре объектива, а меньший пучок ограничивает величину исследуемого микрообъекта. При этом обеспечивается выбор требуемого размера просвечивающего пучка.
Плоско-параллельная пластина позволяет создать интерференционную картину в полосах конечной ширины, ее поворот обеспечивает сдвиг изображения в плоскости поворота, что приводит к появлению наклонных полос конечной ширины, вводимых в достаточном количестве. Полученная интерферограмма отражает фазовое распределение по поверхности объекта в направлении распространения просвечивающего пучка, и по ней можно восстановить форму поверхности объекта, т.к. сдвиг интерференционной полосы, вызванный введением исследуемого объекта, относительно исходного состояния, пропорционален величине объекта в данной точке. Это свойство позволяет визуализировать сам объект.
Голограмма в данном устройстве является элементом его оптической схемы. Она записывается в начале работы на интерферометре в конкретной оптической схеме при отсутствии объекта. На ней фиксируются все оптические характеристики оптических элементов установки. Голограмма требует замены только при изменениях в оптической схеме интерферометра (замены объектива, пластинки, матового стекла). Однократная запись начального состояния оптической системы интерферометра позволяет получить интерференционную картину при последующей работе с объектами. Введение исследуемого объекта приводит к изменению выходного фазового распределения, с которым сравнивается исходное фазовое распределение. При этом все записанные фазовые характеристики системы в получаемой интерферограмме не проявляются, а проявляются только изменения, вызванные самим объектом.
Оптическая схема голографического интерферометра приведена на Фиг., где:
1 - лазер;
2 - зеркала;
3 - светоделитель;
4 - микролинза;
5 - коллиматор;
6 - объект;
7 - объектив;
8- плоскопараллельная пластина;
9 - матовое стекло;
10 - узел регистрации голограммы;
11 - узел визуализации исследуемого объекта;
А - опорный пучок;
Б - объектный пучок.
Матовое стекло 9 обеспечивает распределение информации о каждой точке объекта по всей голограмме и возможность наблюдения интерференционной картины на фоне освещенного матового стекла. Матовое стекло имеет одностороннюю шероховатость, размер элемента обычно должен быть порядка 30 мкм. На голограмме узла 10 регистрируется исходное состояние системы без объекта. Голограмма может быть выполнена (зарегистрирована) на любом записывающем фотоматериале (например, фотопластине). Объектив 7 обеспечивает увеличение микрообъекта 6, нужное наблюдателю, и соответствующее размеру микрообъекта. Размер выходной картины должен быть достаточен для дальнейшей обработки. Параметры лазера 1 должны ограничиваться чувствительностью узла визуализации исследуемого объекта (фотоматрицы цифрового аппарата) 11. Для корректировки следует производить регулирование времени экспозиции. При использовании мощного лазера требуется установка фильтров. Следует ограничить лазер по мощности, т.е. не должно происходить разрушение исследуемого объекта, при этом мощность должна быть достаточной для записи голограммы (это зависит от чувствительности используемого регистрирующего материала). Для записи интерферограммы используется, например, фотоматрица цифрового аппарата узла 11, аналоговый сигнал с которой без сжатия передается в портативный компьютер для последующей обработки. Голограмма записывается один раз и требует замены только при изменениях в оптической схеме интерферометра (замены объектива, пластинки, матового стекла).
Работа устройства.
Свет от лазера 1 после зеркала 2 светоделителем 3 делится на опорный пучок А и объектный пучок Б. Опорный пучок формируется микролинзой 4 после поворотных зеркал 2. Объектный пучок после коллиматора 5, который формирует параллельный пучок света, соответствующий апертуре объектива 7, отражается зеркалом 2 и освещает объект 6. Далее световая волна проходит через объектив 7, плоскопараллельную стеклянную пластину 8, матовое стекло 9 и голограмму узла 10. Изображение объекта наблюдается с помощью фотоматрицы цифрового аппарата узла 11. Поворотом пластины 8 вводятся интерференционные полосы конечной ширины, которые наблюдаются через голограмму с зарегистрированным начальным состоянием системы без исследуемого объекта и локализуются на матовом стекле 9.
ПРИМЕР.
Был использован гелий неоновый лазер 1, мощностью 3 мВт, длиной волны 0,63 мкм. Матовое стекло 9 взято с размером элемента шероховатости 30 мкм. Проекционный объектив 7 - Mn F-2,8×1,25. Коллиматор 5 состоит из двух подобранных линз, обеспечивающих требуемое увеличение пучка. Фотоматрица 11 цифровой зеркальной камеры Canon EOS 400D: 10,1 - мегапиксельный CMOS-датчик, встроенная система очистки EOS, разрешение 10,1 мегапиксель, процессор DIGIC II, формат записи изображений RAW. Для цифрового аппарата Canon EOS 400D подобран объектив Canon EF 28-135/F3.5-5.6 USM IS. Голограмма регистрируется на фотопластине (узле) 10 ПФГ-01, которая обрабатывается проявителем ГП-2. Объект 6 - сухой эритроцит крови, 8 мкм диаметром и 2 мкм толщиной, нанесен на стеклянную подложку. Поворотом пластины 8 введены интерференционные полосы. Они искривляются в месте, где находится эритроцит. Фотоизображения переданы в компьютер узла 11. Далее проводится обработка изображений с целью получения информации о форме эритроцитов. Осуществлена запись серии фотоизображений с расширением ipg разных мазков крови за короткое время, получен рельеф исследуемых эритроцитов.
При использовании прототипа осуществлена запись голограммы эритроцита на фотопластинку (длительный процесс). Перекрыт объектный пучок, опорным пучком осуществлено восстановление с голограммы изображения эритроцита. Восстановленное изображение является таким же прозрачным, как сам объект, поэтому информацию о рельефе его поверхности получить невозможно.
В предлагаемом устройстве отсутствует необходимость перезаписи голограмм для каждого исследуемого объекта (что требует времени и наличия соответствующей системы регистрации для записи голограмм: либо специального узла с фототермопластическим носителем, либо системы проявления фотопластинок), что приводит к уменьшению временных затрат на исследования и упрощению эксплуатации прибора.
Предлагаемое устройство применимо для биологических и медицинских исследований, исследования фазовых неоднородностей в прозрачных средах.