ФАЗОКОНТРАСТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРОЗРАЧНЫХ ОБЪЕКТОВ
PHASE-CONTRAST DEVICE FOR TRANSPARENT OBJECTS VISUALISATION

Изобретение относится к оптике для визуализации фазовых объектов, а именно к устройствам для фазоконтрастного наблюдения, и может быть использовано для наблюдения мелкомасштабных прозрачных (так называемых фазовых) объектов, например микроорганизмов или образцов живой ткани и т.п.
Особенностью наблюдения фазовых (прозрачных) объектов является то, что световая волна, прошедшая сквозь такие почти прозрачные объекты, претерпевает изменения лишь по фазе и приобретает так называемый фазовый рельеф, который никакой приемник излучения не способен воспринять. Известный метод фазового контраста и фазоконтрастные устройства для его реализации позволяют преобразовать фазовые изменения в амплитудные и, следовательно, позволяют заменить фазовый рельеф амплитудным. В результате получается видимое фазоконтрастное изображение исследуемого прозрачного объекта, в котором распределение освещенностей соответствует распределению фаз.
6
Известные фазоконтрастные устройства, в частности фазоконтрастные микроскопы, основаны на использовании линейной фазовой пластинки или, что то же самое, линейного фильтра Цернике, изготовленного методом напыления прозрачного окисла в виде пятна или кольца на стеклянную подложку (см., например, Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Микроскопы, изд. «Машиностроение», Ленинград, 1969 г. стр.106-116; пат. RU 2087021, МПК G02B 27/52, публ. 10.08.1997). В фазоконтрастном устройстве линейная фазовая пластинка (фильтр) Цернике устанавливается в задней фокальной плоскости объектива, перед передним фокусом которого располагается исследуемый прозрачный объект (см. там же). Поскольку задняя фокальная плоскость объектива является спектральной плоскостью (Фурье плоскостью) объектива, то линейная фазовая пластинка Цернике при ее точной установке в определенную точку спектральной плоскости вносит специально рассчитанный необходимый сдвиг фаз между нулевой и высшими пространственными частотами световой волны, прошедшей сквозь прозрачный объект, что позволяет получить видимое фазоконтрастное изображение этого исследуемого объекта. Однако для наблюдения каждого исследуемого прозрачного объекта требуется тщательная юстировка линейной фазовой пластинки Цернике, что, тем не менее, не исключает возникновения искажений информации об объекте из-за появления «гало», представляющего собой яркую полоску вокруг изображения темной детали объекта при позитивном фазовом контрасте или темную полоску вокруг изображения светлой детали при негативном фазовом контрасте, а также из-за падения контраста изображения от края к центру.
6
Известна конструкция фазоконтрастного микроскопа с линейным фазовым фильтром Цернике на жидких кристаллах (патент US 5751475, МПК G02B 21/14, G02B 21/06, публ. 1998). В данной конструкции линейный фильтр Цернике выполнен в виде жидкого кристалла, расположенного между прозрачными электродами, на которые подается управляющее напряжение, что позволяет подстраивать (подбирать) размеры пятна и регулировать сдвиг фаз между нулевой и высшими пространственными частотами световой волны. Недостатком данной конструкции фазоконтрастного микроскопа так же, как и предыдущего, является сложность изготовления линейного фильтра Цернике и требование тщательной юстировки фильтра Цернике для каждого исследуемого объекта, что, однако, не исключает возможности возникновения ложных структур в виде ореола («гало») вокруг изображения деталей наблюдаемого объекта.
В настоящее время в журнальных публикациях появились сообщения о разработке нелинейных твердотельных фильтров Цернике, не требующих специальной юстировки, поскольку процесс юстировки в них выполняется автоматически, а требуемый сдвиг фаз между нулевой и высшими пространственными частотами осуществляется регулировкой интенсивности падающей на исследуемый объект световой волны.
Так известна конструкция фазоконтрастного устройства, содержащего объектив, перед передним фокусом которого располагается исследуемый прозрачный объект, освещаемый излучением одномодового лазера, а в задней фокальной плоскости объектива, являющейся спектральной плоскостью, установлен нелинейно-оптический фильтр Цернике, выполненный в виде пленки бактериородопсина толщиной 50 мкм. При мощности непрерывного одномодового лазера порядка 10 мВт указанная пленка бактериородопсина проявляет в данном устройстве свойства самонаведенного фильтра Цернике и позволяет наблюдать в плоскости изображения объектива, где установлена CCD камера, исследуемый прозрачный объект (Castillo M.D.I., Sanchez-de-la-liave D., Garsia R.R, Olivos-Pĕrez L.I., Gonzălez L.A. and Rodriguez-Ortiz M. Real-time self-induced nonlinear optical Zernike-type filter in a bacteriorhodopsin film // Opt. Eng. 2001, v.40, №11, p.2367-2368). В данном нелинейном фильтре Цернике использована оптическая нелинейность, обусловленная каскадными фотохимическими процессами в молекулах бактериородопсина. Недостатками данного устройства являются слишком большое время установления самонаведенного фильтра Цернике и сложность изготовления специфической полимерной пленки бактериородопсина.
-1
Более известный и доступный материал с большей константой нелинейности использован для изготовления нелинейно-оптического фильтра Цернике в известном фазоконтрастном устройстве, содержащем одномодовый лазер, по крайней мере, один объектив, фильтр Цернике на тепловой нелинейности, установленный в задней фокальной плоскости объектива, и блок регистрации и визуализации прозрачных объектов, включающий в себя CCD камеру {Trevino-Palacios С.G., Castillo V.D.I., Sanchex-de-la-liave D., Garcia R.R., Olivos-Perez L.I. // Appl. Opt. 2003. V.42. p.5091-5095). В данном устройстве фильтр Цернике на тепловой нелинейности выполнен в виде специально отбеленной фотографической пленки с константой тепловой нелинейности  град, где n - показатель преломления указанной пленки, Т - температура, а исследуемый прозрачный объект установлен между лазером и объективом, перед передним фокусом объектива. Мощность излучения лазера составляет порядка 10-ти мВт. Данное устройство является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и выбрано в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются: относительно небольшая величина константы тепловой нелинейности  специально отбеленной фотографической пленки, что приводит к необходимости увеличения мощности лазерного излучения, а также необходимость специальной обработки фотографической пленки.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка удобного в настройке фазоконтрастного устройства для визуализации прозрачных объектов с фильтром Цернике на тепловой нелинейности из дешевого, широко известного и доступного материала при меньшей требуемой мощности освещающего объект излучения.
Указанный технический результат в заявляемом фазоконтрастном устройстве для визуализации прозрачных объектов достигается за счет того, что оно, как и устройство-прототип, содержит одномодовый лазер, по крайней мере, один объектив, фильтр Цернике на тепловой нелинейности, установленный в задней фокальной плоскости объектива, и блок регистрации и визуализации прозрачных объектов.
-1
Новым в разработанном фазоконтрастном устройстве для визуализации прозрачных объектов является то, что фильтр Цернике на тепловой нелинейности выполнен в виде кюветы с жидкой средой, величина потерь αl на поглощение излучения в которой на длине l [см] оптического пути не менее αl≥0,05, где α [см] - коэффициент поглощения света жидкой средой.
В первом частном случае реализации разработанного фазоконтрастного устройства целесообразно в качестве жидкой среды для фильтра Цернике использовать спирт или смесь спирта с водой.
Во втором частном случае реализации разработанного фазоконтрастного устройства целесообразно в качестве жидкой среды для фильтра Цернике использовать воду или ацетон.
В третьем частном случае реализации разработанного фазоконтрастного устройства целесообразно в качестве жидкой среды для фильтра Цернике использовать четыреххлористый углерод или глицерин.
В четвертом частном случае реализации разработанного фазоконтрастного устройства целесообразно в качестве жидкой среды для фильтра Цернике использовать любой фреон из известных жидких фреонов.
В пятом частном случае реализации разработанного фазоконтрастного устройства целесообразно в любую из указанных выше жидких сред для фильтра Цернике добавить поглотитель излучения, например краситель.
В шестом частном случае реализации разработанного фазоконтрастного устройства целесообразно в качестве жидкой среды для фильтра Цернике использовать нематический жидкий кристалл с добавлением поглотителя излучения.
В седьмом частном случае реализации разработанного фазоконтрастного устройства целесообразно дополнительно ввести в него еще один объектив, установленный таким образом, что его передний фокус совмещен с задним фокусом основного объектива.
Таким образом, технический результат, обеспечиваемый разработанным фазоконтрастным устройством и заключающийся в удобстве настройки и существенном удешевлении устройства, достигается за счет того, что в качестве фильтра Цернике на тепловой нелинейности предложено использовать широко известные недорогие жидкости, обладающие с одной стороны тепловой нелинейностью, а с другой стороны - достаточно большой величиной потерь αl на поглощение излучения. При этом величина потерь αl на поглощение даже в случае использования прозрачных жидкостей легко может быть доведена до требуемого уровня за счет введения в жидкость подходящих красителей, например раствора бриллиантового зеленого в спирте, туши, пищевых или непищевых растительных или синтетических красителей. Изменяя величину потерь αl путем изменения концентрации красителя или длины кюветы, можно изменять в любую сторону величину требуемой для визуализации объекта мощности Р освещающего излучения.
На фиг.1 представлена оптическая схема разработанного фазоконтрастного устройства с одним объективом и фильтром Цернике в виде кюветы с жидкой средой.
На фиг.2 представлена оптическая схема разработанного фазоконтрастного устройства с двумя объективами и фильтром Цернике в виде кюветы с жидкой средой.
На фиг.3 представлено визуализированное изображение фазового объекта - фазовой полоски, полученное с помощью разработанного устройства.
На фиг.4 представлено визуализированное изображение фазового объекта - фазовой решетки, полученное с помощью разработанного устройства.
На фиг.5 представлено визуализированное изображение фазового объекта - оптического световода, полученное с помощью разработанного устройства.
Устройство, представленное на фиг.1, содержит источник 1 когерентного одномодового излучения, объектив 2 с фокусным расстоянием F, в задней фокальной плоскости которого установлен фильтр Цернике в виде кюветы 3 с жидкой средой 4, и экран 5 (и/или CCD камера 6), установленный в плоскости изображения объектива 2. Упомянутая CCD камера 6 для регистрации визуализированного изображения исследуемого фазового объекта 7 может быть расположена как сбоку от экрана 5 для фотографирования изображения, полученного на экране 5, так и вместо экрана 5. При этом исследуемый фазовый объект 7 устанавливается перед объективом 2 в предметной плоскости объектива. Жидкая среда 4 выбрана таким образом, чтобы величина потерь αl на поглощение излучения в ней на длине l оптического пути составляла не менее 0,05 (на практике длина l оптического пути в жидкой среде 4 равна расстоянию между стенками внутри кюветы 3). Кювета 3 устанавливается в задней фокальной плоскости объектива 2 таким образом, чтобы фокус объектива находился внутри кюветы 3.
В качестве источника 1 когерентного излучения может быть использован одномодовый по поперечной структуре газовый лазер, например, одномодовый гелий - неоновый или одномодовый гелий - кадмиевый газовые лазеры, а также твердотельные или полупроводниковые одномодовые лазеры небольшой мощности (до 10 мВт).
В качестве объектива 2 могут быть использованы объективы или линзы с различными фокусными расстояниями F, например, положительная линза с фокусным расстоянием F, равным 7 см, 10 см, 15 см и др.
В качестве жидкой среды 4 для создания фильтра Цернике могут быть использованы различные широко известные жидкости, например спирт, ацетон, глицерин, четыреххлористый углерод, вода, любой фреон из известных жидких фреонов, нематический жидкий кристалл и многие другие жидкие среды. При этом требуемая величина потерь αl на поглощение излучения в среде 4 может быть достигнута как за счет увеличения толщины кюветы 3, которая заполняется жидкой средой 4, так и за счет добавления в жидкую среду 4 поглотителя света, например, подходящего для рабочей длины волны источника 1 излучения, красителя (раствора бриллиантового зеленого в спирте, туши, пищевых или непищевых красителей и др.). В качестве кюветы 3 может быть использована жидкостная кварцевая кювета.
Перечисленные жидкие среды 4 могут быть использованы для создания нелинейного фильтра Цернике и в схеме фазоконтрастного устройства с двумя положительными линзами, как показано на фиг.2. Данная схема фазоконтрастного устройства с двумя положительными линзами известна как «схема 4 F» (4-F system) (см., например, Bahaa E. А. Saleh, Malvin Carl Teich. Fundamentals of photonics. A wiley interscience publication. New York. 1991. 966 p.). Отличие оптической схемы на фиг.2 от оптической схемы на фиг.1 заключается в ведении в схему дополнительной положительной линзы 8, установленной таким образом, что ее передний фокус совпадает с задним фокусом основной линзы 2 и эта точка находится внутри кюветы 3.
Фазоконтрастное устройство для визуализации прозрачных объектов, представленное на фиг.1, работает следующим образом.
Исследуемый фазовый (прозрачный) объект 7, расположенный в предметной плоскости объектива 2, освещается плоской волной от источника 1 когерентного одномодового излучения. При прохождении через прозрачный объект 7 плоская волна обогащается высокими пространственными частотами, участвующими в формировании изображения исследуемого объекта 7 объективом 2. Поскольку далее излучение проходит через кювету 3 с жидкой средой 4, обладающей достаточно большой величиной потерь αl на поглощение излучения и установленной в Фурье-плоскости объектива, то в результате частичного поглощения света в жидкой среде 4 в ней формируется неоднородный профиль температуры и соответственно неоднородный профиль показателя преломления n, приводящий к необходимой расфазировке пространственных частот излучения. Этот эффект позволяет преобразовать фазовые изменения в рельефе волны в амплитудные, в результате чего в плоскости изображения объектива 2 на экране 5 получается видимое фазоконтрастное изображение исследуемого прозрачного объекта 7, так называемое визуализируемое изображение прозрачного объекта 7.
Таким образом, как установлено авторами, неоднородно прогретая жидкая среда 4 в кювете 3, установленная в Фурье-плоскости объектива 2, в разработанном устройстве функционирует как пространственный фазовый фильтр Цернике, что позволяет получить видимое изображение прозрачного объекта 7 на экране 5 и/или CCD камере 6 с помощью недорогих и доступных средств. К тому же, поскольку константа тепловой нелинейности  любой из упомянутых жидких сред 4 на порядок превышает константу тепловой нелинейности  специально отбеленной фотографической пленки, используемой в качестве фильтра Цернике в прототипе, то это обстоятельство позволяет в разработанном устройстве использовать для визуализации прозрачных объектов излучение с меньшей мощностью. Теоретически это можно объяснить тем, что величина фазового сдвига между нулевой и высшими пространственными частотами, обеспечиваемая фильтром Цернике, пропорциональна, в частности, константе тепловой нелинейности  и мощности излучения, поступающего на фильтр, поэтому при увеличении константы тепловой нелинейности  мощность освещающего объект излучения может быть уменьшена.
Кроме того, юстировка кюветы 3 в фокальной плоскости объектива 2 существенно упрощается по сравнению с прототипом благодаря достаточной толщине (1-5 мм) кюветы 3 по сравнению с толщиной отбеленной фотографической пленки в устройстве-прототипе, поскольку при юстировке разработанного устройства достаточно установить кювету 3 таким образом, чтобы точка фокуса объектива 2 попала в любое место внутри кюветы 3, что легко достигается на практике и позволяет решить поставленную задачу.
Фазоконтрастное устройство для визуализации прозрачных объектов, представленное на фиг.2, работает подобным же образом, за исключением того, что не позволяет получать увеличенное изображение объекта 7.
0
2
В примере №1 конкретной реализации в качестве источника 1 когерентного одномодового излучения использован одномодовый He-Ne-лазер с мощностью излучения P≤6 мВт и линейной поляризацией. В качестве объектива 2 использовалась линза с фокусным расстоянием F=15 см, переносящая с большим увеличением изображение прозрачного объекта 7 в виде фазовой полоски (пленка SrO толщиной 80 нм, напыленная на кварцевую подложку, ширина полоски 0,8 мм) в плоскость экрана 5. В качестве жидкой среды 4, заполняющей кювету 3, использовался спирт или смесь спирта с водой, подкрашенные красителем, обеспечивающим хорошее поглощение на длине волны λ=0,63 мкм излучения гелий-неонового лазера. Таким красителем является, например, раствор бриллиантового зеленого в спирте, который использовался в данном примере. Кювета 3 выбрана с расстоянием между внутренними стенками 1 мм, при этом величина потерь αl на поглощение излучения в ней для получения четкого визуализируемого изображения объекта 7 (фазовой полоски) на экране 5 составила αl=0,3. Визуализируемое изображение фазового объекта 2 на экране 5 фотографировалось цифровой CCD камерой 6 (см. фиг.3). Для получения четкого визуализируемого изображения объекта 7 (фазовой полоски) требуемая мощность He-Ne-лазера составила 0,75 мВт.
0
В примере №2 конкретной реализации в качестве источника 1 когерентного одномодового излучения также использован одномодовый He-Ne-лазер с мощностью излучения P≤6 мВт и линейной поляризацией. В качестве объектива 2 использовалась линза с фокусным расстоянием F=7 см. В качестве жидкой среды 4, заполняющей кювету 3, использовался ацетон, а исследуемым прозрачным объектом 7 служила прозрачная фазовая решетка. Величина потерь αl на поглощение излучения в жидкой среде 4 (ацетоне) для получения четкого визуализируемого изображения объекта 7 (фазовой решетки) на экране 5 составила αl=2. Визуализируемое изображение фазовой решетки на экране 5 фотографировалось цифровой CCD камерой 6 (см. фиг.4).
В примере №3 конкретной реализации также в качестве источника 1 когерентного одномодового излучения использован одномодовый He-Ne-лазер. В качестве объектива 2 использовалась линза с фокусным расстоянием F=10 см. В качестве жидкой среды 4, заполняющей кювету 3, использовался четыреххлористый углерод, а исследуемым прозрачным объектом 7 служил прозрачный оптический световод с внешним диаметром 80 мкм. Величина потерь αl на поглощение излучения в жидкой среде 4 (четыреххлористом углероде) для получения четкого визуализируемого изображения объекта 7 (оптического световода) на экране 5 составила αl=0,5. Визуализируемое изображение оптического световода на экране 5 фотографировалось цифровой CCD камерой 6 (см. фиг.5).