ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

Цифровой голографический микроскоп (ЦГМ)
Полезная модель относится к цифровому голографическому микроскопу (ЦГМ) и может быть использована в качестве измерительной системы в биологии, микрооптике, микроэлектронике, в производстве полупроводников, в различного типа нанотехнологиях, в медицине и т.д. Такие устройства используются на поверхности Земли, в скважинах или на разных глубинах водоемов для определения их биологических и других компонент, а также в космическом пространстве.
В цифровых голографических микроскопах осуществлена возможности записывать не только величину амплитуды, которая связана с контрастом изображения клеток, но и фазу, которая является функцией, зависящей от величины дифракции света на полупрозрачной или прозрачной клетке, благодаря отличию ее коэффициента преломления от коэффициента преломления окружающей среды. С записываемой интерференционной картины на голограмме, регистрируемой матрицей фотоприемников, снимается сигнал, который передается на обработку в компьютер ЦГМ (DIHM-Digital In-Line Holographic Microscope), позволяющий в режиме реального времени определить характеристики исследуемого объекта, его распределение на поверхности среды, определение глубины и его положение в трёх- и четырёх- координатном пространстве, направление движения (трека), скорость, размер, осуществить накопление информации, сравнить объект с тест - объектами и т.д.
Устройство ЦГМ, в общем случае, состоит из двух частей: оптической, необходимой для создания голографической интерференционной картины (голограммы) и электронно-вычислительной для цифровой ее регистрации, считывания и обработки полученных данных в реальном времени или постфактум. При записи голограммы используется когерентный источник излучения, как правило, лазер, газовый в стационарных системах или твердотельный в портативных устройствах и две оптические схемы: соосная схема, где объектный и вспомогательный луч составляют между собой угол α = 0, или двулучевая несоосная оптическая схема, в одном из плеч которой располагается объем
(кювета) с изучаемым или отражающий объект, где угол α≠0. а также детектор голограммы в виде матрицы фотоприемников: [1] (D.Gabor. A new microscopic principle. Nature 161, pp 777-778,1948: [2] (J. Opt. Soc. Am., v. 54, p.1295, 1964).
Существующие в настоящее время системы и программы для ЦГМ дают инструмент, позволяющий автоматически определить характеристики изучаемого объекта при данной конкретной конфигурации ЦГМ.
Известен ЦГМ, состоящий из двух частей: оптической системы для записи голограммы прозрачного цветного исследуемого объекта и системы считывания и обработки информации с голограммы с помощью специальных компьютерных программ. [3] ( OPTICS EXPRESS, V.21, No. 10, May 2013).
Оптическая система - одноосевая (on-line), в которой объектный и опорный пучки расположены вдоль координаты Z. Она содержит три источника когерентного излучения (красный, зеленый и голубой), проходящие через соединенные вместе оптико-волоконные трубы с внутренним диаметром в 0,1 мм, расположенные параллельно оси Ζ и служащие в качестве источников излучения, и регистрирующую плоскую матрицу "CMOS Sensor Array" с размером регистрирующего пикселя 1,12мкм, причем узел с оптико-волоконными трубами имеет возможность перемещения в пространстве по двум координатам X и Y в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы Z. Расстояние Z1 от источника излучения до объекта намного больше, чем расстояние Z2 от объекта до матрицы.
Электронная система считывает и обрабатывает информацию с плоской матрицы.
Устройство ЦГМ работает следующим образом.
После выхода лучей лазеров из оптико-волоконных труб, они рассеиваются в виде сферических волн в сторону исследуемого прозрачного объекта и, проходя расстояние Z1, попадают на объект, на котором они дифрагируют.
Каждый из дифрагированных лучей далее, пройдя расстояние Z2 до матрицы, встречается в плоскости матрицы со световым лучом от своего же лазера, проходящего в этом же направлении ("on-line") без рассеяния и, интерферируя с
ним, создает интерференционную картину, которая фиксируется матрицей фотоприемников.
Голограмма запоминается на плоской матрице в виде двух- координатной интерференционной картины, на которой фиксируется одновременно амплитуда и фаза рассеянной объектом волны от каждого лазера в отдельности. Далее картина цифровым способом восстанавливается: т.е. из двух- координатной голограммы получить полное трёх- координатное цветное изображение объекта, что возможно, так как на голограмме фиксируются одновременно фаза и амплитуда волн, дифрагированных на объекте. В многоволновой цифровой голографии при записи на голограмме интерференционной картины и ее цифрового считывания и обработки, для восстановления голографируемого цветного объекта, в восстановленном его изображении появляются ложные цветные изображения ("rainbow" like color artifact). Авторами используются два компьютерных метода для подавления артефактов изображения, обусловленных влиянием когерентных помех, благодаря чему можно обеспечить более широкий угол зрения цветного изображения с субмикронным разрешением: цветного пространственного усреднения и Dijkstra*/, использующий алгоритм позволяющий найти решение задачи по "кратчайшему nyTH"("shortest past"). */ Алгоритм Дейкстра - 1959 году (англ. Dijtetra 's algorithm) -изобретённый нидерландским ученым: находить кратчайшее расстояние от одной из вершин графа до всех остальных. Алгоритм широко применяется в программировании и технологиях.
С помощью данного устройства можно снимать серию голограмм в разное время путем сдвига по двум координатам узла с оптико-волоконными трубами, внутри каждого из которого проходит лазерный свет. Использование авторами трех источников излучения делает картину, восстановленную с голограммы, более полноценной, что позволяет осуществить лучше опознавание образов при обработке данных. Недостатки устройства ЦГМ:
1- запись на голограмме интерференционной картины лишь прозрачных исследуемых объектов ( ограниченная область исследования);
2- плоская матрица обладает ограниченными размерами, поэтому интерференционные полосы, расположенные на периферии голограммы отсекаются и теряются. Для этого необходимо или увеличить размер матрицы по сравнению с размером объекта или максимально приблизить объект к матрице;
3- другим недостатком можно считать Гауссово (колоколообразное) распределение интенсивности по сечению лазерных пучков, в результате чего интерферограмма, записанная в плоскости матрицы "CMOS Sensor Array", различна по яркости в плоскости голограммы, что определяет качество записи, а при считывании приводит к различному соотношению сигнал/шум по полю матрицы и, как следствие, к возможности увеличения случайных ошибок при восстановлении изображения и обработке полученных с голограммы данных;
4- в случае применения схемы "on-line" регистрации матрицей голограммы отражающих или фазовых объектов с применением объектного и соосного референтного пучков, при восстановлении голограммы, два изображения объекта - реальное и мнимое - располагаются на одной оси и создают друг для друга фон, мешая четкому восприятию каждого в отдельности (ограничение по качеству голограммы).
Из известных устройств ЦГМ наиболее близким по технической сути является ЦГМ, описанный в работе [4] (ВМТ 49 Extension Part 2, 978-979, 2004).
В устройстве ЦГМ используется внеосевая (off-line) оптическая схема записи голограммы, при которой оптическая ось опорного пучка расположена под углом относительно главной оптической оси. Устройство содержит источник когерентного излучения, обладающий оптической осью, направленной в сторону распространения излучения, светоделящий оптический элемент, установленный под углом к оптической оси, регистрирующую матрицу фотоприемников, фокусирующий микрообъектив, подложку для размещения исследуемого объекта, электронную вычислительную систему, включающую блок обработки данных с программным обеспечением, позволяющим восстановить изображение объекта, и персональный компьютер.
В данном устройстве при регистрации матрицей голограммы используется внеосевая оптическая схема отражающего объекта с применением объектного и соосного референтного пучков. Она состоит в том, что объектный и референтный пучки сходятся под некоторым углом θ и, соответственно, при восстановлении голограммы реальное и мнимое (виртуальное) изображения объекта разделяются между собой под этим же углом.
В ЦГМ при записи голограмм используются небольшие углы между двумя пучками, которые составляют не более 1-2 десятков градусов, ограничивающие, пока, максимальные пространственные частоты голограммы.
Устройство работает следующим образом.
Пучок от лазера с помощью оптических линз превращается в параллельный и разделяется на два пучка - объектный и референтный. Один пучок - объектный от когерентного лазера после отражения от светоделящего оптического элемента и прохождения тубусной линзы направляется к объекту и микрообъективу, фокусирующему его в плоскости отражающего объекта. Отраженный от объекта световой луч снова возвращается в сторону светоделящего оптического элемента, установленного под небольшим углом относительно оптической оси и, проходя его, попадает на регистрирующую матрицу CCD камеры. Второй луч - опорный, от этого же лазера, нерассеяный объектом, после отражения от полупрозрачной плоскости светоделителя, установленного с небольшим наклоном относительно оптической оси микроскопа, накладывается на первый луч, отраженный от исследуемого объекта и интерферирует с ним. Картина интерференции записывается на матрице CCD-камеры, после чего она попадает в вычислительную систему, включающую блок обработки данных с программным обеспечением, позволяющий восстанавливать изображение трёхмерного объекта и передать его на дисплей ПК.
Голограмма запоминается на плоской матрице CCD - камеры в виде двух координатной интерференционной картины, на которой фиксируется одновременно амплитуда и фаза рассеянной объектом волны. Далее интерференционная картина цифровым способом восстанавливает трёхмерное изображение объекта. Суть восстановления состоит в том, чтобы из двух координатной голограммы получить полное трех координатное изображение объекта, что возможно благодаря тому, что на голограмме фиксируются одновременно фаза и амплитуда волн, дифрагированных на объекте.
Недостатки устройства заключаются в том, что у него ограниченные функциональные возможности: устройство предназначено для записи только одноцветных непрозрачных объектов. Кроме того, качество записи и считывания изображения с голограммы ограничено тем, что объектив, захватывает от объекта лишь низкочастотную часть отраженных лучей. Это влияет на качество
восстановленного с голограммы (матрица) изображения. Кроме того, Гауссовское распределение интеннсивности лазерного пучка также влияет на качество изображения.
Эти недостатки обусловлены следующими факторами.
Как известно, по сечению лазерных пучков присутствует Гауссовское (колоколообразное) распределением интенсивности. Это приводит к тому, что записанная интерференционная картина в плоскости матрицы имеет разную яркость и контраст в центре и на периферии, поэтому передаточная функция - как отношение выходного сигнала к входному - имеет разную величину по сечению объектного и референтного пучков. При считывании на голограмме это приводит к различному соотношению сигнал/шум по полю матрицы и к возможности увеличения случайных ошибок при восстановлении изображения и обработке полученных с голограммы данных.
Устройство содержит большое количество оптических элементов: микрообъектив, тубусную линзу, призму - куб, обладающих аберрациями и вносящих искажение при формировании записываемой на матрице интерференционной картины, что сказывается на качестве полученного изображения объекта ЦГМ. При одноразовой записи захватывает лишь малую область отражающей поверхности объекта или объема с исследуемым объектом из-за малой апертуры объектива.
Ограничения в разрешении связаны с тем, что лазерный луч фокусируется на поверхности объекта в пределах используемого объектива, а от поверхности объекта рассеиваются лучи в более широком (solid) угле, превышающем угол обратного захвата объектива. Чем больше углы рассеянных периферийных лучей, тем больше пространственная частота интерференционной картины, зарегистрированной на голограмме, и больше её вклад в величину разрешения изображения. При данной конструкции ЦГМ на голограмме регистрируется, в основном, низкочастотная область пространственных частот, соответствующих рассеянным объектом лучам, расположенным ближе к нормали угла между опорным и объектным лучами и захваченным объективом, который имеет ограниченную апертуру. Таким образом, высокочастотная часть спектра интерференционной картины не зарегистрирована голограммой из-за того, что
периферийные лучи, отраженные от объекта, не попадают в апертуру объектива и не регистрируются голограммой.
Техническим результатом данного устройства является повышение качества получаемого изображения и расширение функциональных возможностей устройства.
Технический результат достигается тем, что в известном ЦГМ, содержащем источник когерентного излучения, обладающий оптической осью, направленной в сторону распространения излучения, светоделящий оптический элемент, установленный под углом к оптической оси, регистрирующую матрицу фотоприемников, фокусирующий микрообъектив, подложку для размещения исследуемого объекта, электронно-вычислительную систему, включающую блок обработки с программным обеспечением, позволяющим восстановить изображение объекта и компьютер новым является то, что дополнительно введены два источника когерентного излучения, расположенные вне оптической оси известного источника когерентного излучения, две полупрозрачные пластинки, установленные с возможностью обеспечения совпадения оптических осей введенных источников когерентного излучения с оптической осью известного источника, фильтр для сглаживания Гауссового распределения пучков всех вышеуказанных источников излучения и получения равномерного освещения по сечению, перпендикулярному оптической оси, диафрагма, прозрачная кювета с прозрачным для излучения входным окном в виде полусферы, причем кювета расположена за матрицей фотоприемников и перед подложкой для размещения исследуемого объекта, а выходное окно кюветы плоское и является светоделящим оптическим элементом в виде прозрачной плоскопараллельной пластинки, а матрица фотоприемников выполнена в виде полусферы с одинаковым радиусом кривизны с входным окном кюветы, и имеет сквозное отверстие в месте её пересечения с оптической осью системы и в нём установлена диафрагма, а поверхность светоделящего оптического элемента со стороны источника когерентного излучения имеет покрытие, позволяющее пропустить и отразить излучение когерентных источников, а фокусирующий микрообъектив установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси и обеспечения фокусировки пучков источников излучения в пределах диафрагмы.
Заявляемый ЦГМ использует также внеосевую оптическую схему. Однако исключаются ограничения, свойственные внеосевой оптической схеме, связанные с записью голограмм под большим углом.
Т.е. (изменения) в оптической схеме устройства в сочетании с введением трех лазеров и кюветы в виде полусферы позволяют записывать голограммы под большим углом, с высоким качеством, расширить область и цветовую гамму исследуемых объектов (исключить недостатки, свойственные прототипу.
На Фиг.1 дана блок-схема устройства ЦГМ.
На Фиг.2 изображен конкретный пример конструктивного решения предлагаемого устройства ЦГМ для исследования отражающего объекта в случае, когда он находится внутри кюветы, а также в случае, когда он находится вне объема кюветы на подложке.
На фиг.3 изображен конкретный пример конструктивного решения предлагаемого устройства ЦГМ для записи голограммы прозрачного объекта 11, расположенного в объеме кюветы, с помощью трех точечных источников излучения с разной длиной волны.
Согласно фиг.1, устройство состоит из оптической и электронно-вычислительной систем.
Оптическая схема ЦГМ содержит три точечных источника излучения с разной длиной волны: голубой (также фиолетовый или синий) 1, зеленый 2, красный 3. Для направления всех источников вдоль одной оптической оси системы используются две полупрозрачные пластинки 4 и 5. Устройство содержит также фильтр 6 "πShaper 12_12" для сглаживания Гауссового распределения в видимом диапазоне источников излучения и микрообъектив 7 [7] (Патент РФ № 2176806. Устройство содержит также полусферическую матрицу 8, состоящую из фотоприемников и имеющую отверстие, расположенное в месте пересечения матрицы с оптической осью системы, в котором установлена диафрагма 9, позволяющая пропускать через себя поток лучей от источников излучения. За полусферической матрицей 8 расположена кювета 10, повторяющая ее форму и содержащая дисперсную среду с исследуемым объектом 11. Выходное окно 12 кюветы 10 изготовлено в виде плоской светоделящей пластинки с отражающей внутренней поверхностью 13. Это окно наклонено под углом α относительно перпендикуляра к оптической оси
системы. 3а светоделящей пластинкой по направлению распространения пучка излучения на подложке устанавливают исследуемый отражающий объект 14, расположенный вне объема кюветы.
Электронно-вычислительная система включает блок обработки данных 15 и ПК 16.
На Фиг. 2 пунктиром показаны периферийные лучи 5 и 5', отраженные от объекта 14, интерферирующие на поверхности матрицы 8, а пунктиром лучи 5 и 5", дающие интерференцию на поверхности в случае плоской матрицы ЦГМ (прототип), В этом случае, для регистрации такой интерференционной картины, размеры плоской матрицы и, соответственно ЦГМ, должны быть нереально большими, и наоборот, ее регистрация на сферической матрице реально возможна и удобна.
Устройство работает следующим образом. Пучки от источников излучения 1, 2, 3 (Фиг. 2) после прохождения и отражения от двух полупрозрачных пластинок 4 и 5 направляются вдоль оптической оси ЦГМ, попадая на фильтр 6, благодаря которому сглаживается Гауссово (колоколообразное) распределение лазерных пучков с целью получения равномерного освещения по их поперечному сечению. После фильтра 6 пучок с помощью микрообъектива 7 фокусируется в области диафрагмы 9 сферической матрицы 8, создавая три точечных источника излучения освещающих исследуемый объект (для получения цветной голограммы), находящийся в разное время, вне или в объеме кюветы, а также для создания вспомогательных пучков, интерферирующих с отраженными объектом 14 или дифрагирующими пучками на объекте 11.
Диафрагма 9, отсекает высокие частоты в фокусе микрообъектива 7 с целью очистки пучка от когерентного шума, обусловленного дифракцией света на дефектах оптики и на частицах, попадающихся на пути до диафрагмы. Далее пучок излучения поступает в кювету 10 с исследуемым объектом 11 или вне объема кюветы с отражающим объектом 14. На матрице 8 регистрируется картина в виде интерференционных полос с пространственной частотой vij, где i=(1÷5), a j = 1,2,3 (Фиг.2). vij зависит от углов θi, образованных лучами 1, 2, 3, 4, 5, отраженными объектом 11 или 14 (Фиг.2) или лучами 6 и 7, дифрагирующими на исследуемом объекте 11 (Фиг.3), интерферирующими с соответствующими не взаимодействующими с объектом - референтными лучами,
отраженными от светоделящей 12, 13 пластинки, а также от длины волны используемых когерентных источников излучения λj·В данном конкретном случае используются 3 источника: голубой с λ1 (возможно синий или фиолетовый), зеленый - λ2 и красный λ3:
В результате цифровой обработки интерференционной картины в блоке обработки 15 восстанавливаются изображение исследуемого отражающего объекта 14 или 11, которое можно наблюдать на компьютере ПК 16. Объекты 14 и 11 исследуются независимо и в отсутствии друг друга.
При исследовании отражающего объекта 11, находящегося в кювете (Фиг.2), появляются отраженные от него лучи 1 и 2, направленные в сторону сферической матрицы 8, где встречаются под углами θ1 и θ2 с нерассеивющимися на объекте лучами 1' и 2', отраженные от свето делящей пластинки 12, которая расположена под углом α относительно перпендикуляра к оптической оси системы. Такая оптическая схема позволяет формировать "внеосевые" голограммы. Угол α зависит от разрешения матрицы. В настоящее время разрешение матриц достигает размера ~ 1мкм, что соответствует углу ~ 40°. На матрице регистрируется картина в виде интерференционных полос с пространственной частотой vij, где i=1,2, соответствующей этим углам и источникам излучения j, где j=1,2,3. Цифровая обработка регистрируемой матрицей голограммы позволяет восстанавливать в полном объеме и цвете, отражающий объект 11.
При исследовании отражающего объекта 14, расположенного на подложке за светоделящей пластинкой по ходу лучей (Фиг. 2), все рассеянные объектом лучи 3, 4, 5, пройдя насквозь свето делящего оптического элемента 12, 13, направляются к сферической матрице, на поверхности которой интерферируют с соответствующими не рассеянными лучами 3', 4' и 5' под углами θ3, θ4 и θ5, создавая картину в виде интерференционных полос с пространственной частотой vij, где i= 3,4,5 и источникам излучения у, где j=1,2,3.
Сферическая матрица 8 имеет возможность регистрировать высокочастотные интерференционные полосы, соответствующие большим углам (к примеру θ5 - Фиг.2), образованными периферическими лучами, отраженными от объекта, что не может сделать плоская матрица в силу ее ограниченных
размеров. Высокие частоты позволяют увеличить разрешение восстановленного изображения с голограммы. Разрешение голограммы:
Разрешение голограммы Rj, в данном конкретном случае, зависит от разрешения матрицы. В свою очередь разрешение матрицы зависит, главным образом, от трех факторов:
1 - типа: тип матрицы можно выбирать наилучший из существующих: CCD, CMOS, Super HAD CCD * возможно и др.;
2 - площади: известно, что площадь полусферы больше площади плоской матрицы, вписываемой в этих же габаритах;
3 - плотности фоточувствительных элементов на единицу поверхности
Благодаря большей площади на ней можно разместить больше пикселей. Разрешение системы согласно критерию Rayleigh дается выражением:
где к-постоянный коэффициент, зависящий от формы матрицы,
λj - длина волны источника излучения, f - расстояние от объекта до регистрирующего экрана, D - апертура матрицы.
Разрешение ЦГМ, согласно выражению (2), зависит от следующих факторов:
а) λj - длина волны источника излучения.
При записи цветных изображений исследуемых объектов с использованием различных лазеров j, разрешение определяется наименьшим разрешением, соответствующем красному лазеру.
б) Апертура D матрицы ЦГМ.
Апертура регистрирующей матрицы в существующих системах ЦГМ зависит от ряда факторов: существующего уровня технологии в данной области (размера пикселей и использованием технологией их производства), ограничения геометрических размеров системы ЦГМ в целом, его допустимого веса, определяемого конкретными задачами в каждом отдельном случае: апертура плоской матрицы сильно ограничена габаритами ЦГМ и большими
углами между интерферирующими лучам, т.к., начиная с определенного угла объектных лучей, происходит, практически, их полное обратное отражение. Это приводит к тому, что соответствующие им интерференционные полосы вообще не будут регистрироваться матрицей, тем самым, исключая периферийную часть матрицы из общего процесса регистрации и, соответственно, более высокие пространственные частоты голограммы. Известно, что закон отражения света справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет, как в случае матрицы с фотоприемниками, обладающими как плоскими, так и сферическими входными окнами - линзами на пикселях, (к примеру матрицы КМОС или Super HAD CCD). Таким образом, при обработке данных с голограммы высокое разрешение изображения можно получить только в рамках тех частот, которые зарегистрировала сама матрица. Поэтому с целью регистрации плоской матрицей высоких частот в работе 161 проводились работы по приближению объектов к матрице. Однако такое приближение уменьшает эффективность системы из-за уменьшения объема с исследуемым объектом. В случае прототипа между матрицей и объектом расположены еще дополнительные оптические элементы с целью сбора тубусом периферийных лучей и ввода референтного пучка под определенным углом, что приводит к существенному отдалению объекта от матрицы.
Таким образом, с целью регистрации высокочастотной картины голограммы, соответствия высоким частотам и уменьшения влияния искажений, вводимых аберрациями благодаря использованию дополнительных оптических элементов, а также для обеспечения большой апертуры в заявляемой конструкции используется сферическая матрица, которая благодаря своей форме не нуждается в применении дополнительных оптических элементов во время регистрации голограммы, т.к. сама матрица регистрирует лучи, в том числе и периферийные.
При записи высоких пространственных частот увеличивается величина передаточной функции, представляющей собой отношение выходного сигнала к входному, в частотном представлении:
где E(νx',νy') и I(νx,νy) - соответственно распределение освещенности изображения (выходного сигнала) и распределение яркости объекта (входного сигнала), νx', νy' - пространственные частоты изображения, νx, νy -пространственные частоты объекта. При этом пространственная частота в пространстве объекта ν и пространственная частота в пространстве изображения ν' связаны линейной зависимостью:
где β - линейное увеличение системы.
Поэтому потеря высоких частот (на входе) при регистрации интерференционной картины на матрице ЦГМ, отвечающих за тонкую структуру объекта, напрямую и линейно будет связана с потерей этих же частот в пространстве восстановленного изображения (на выходе), что приводит к уменьшению передаточной функции A(νx, νy) и разрешения системы в целом.
Таким образом, увеличение разрешения ЦГМ можно достигнуть путем линейного сохранения баланса всех частот объекта и его восстановленного изображения, благодаря регистрации высоких частот интерференционных полос, зарегистрированных на матрице при данном источнике когерентного излучения.
Известно, что пространственная частота интерференционных полос ν, в свою очередь, зависит от угла θ между интерферирующими лучами (дифрагирующими на объекте и референтными) и от длины волны λ источника излучения, согласно выражению
Как видно из выражения (6), чем больше угол θ, тем больше частота интерференционных полос, регистрируемых на голограмме и, соответственно, тем меньше расстояние между ними, а, следовательно, тем выше будет разрешение изображения.
в) f - расстояние от объекта до регистрирующего экрана. Разрешение системы растет с уменьшением величины f (см. (2). Из Фиг.2 видно, что ход лучей, распространяющихся от исследуемого объекта до
полусферической матрицы - fcфмА5 и fcфмА5' (сплошные линии), всегда меньше длины хода лучей от исследуемого объекта до плоской матрицы йшм А5 и пшмА5" (их продолжение показано пунктиром), т.е.
где Ai - отрезок луча до полусферической матрицы, Bi - отрезок луча от сферической матрицей до плоской, i - условное порядковое число луча, возрастающее по мере удаления от оптической оси.
Очевидно, что разрешение у ЦГМ с полусферической матрицей будет выше по сравнению с плоской матрицей, причем, как видно из выражений (3), в этом случае разрешение плоского экрана не только меньше, чем у полусферического экрана, но оно еще падает с удалением от оси, т.к. к периферии йшм существенно растет.
Однако, несмотря на то, что сферическая матрица имеет возможность регистрировать пространственные высокие частоты, но из-за Гауссового распределения интенсивности когерентного источника величина передаточной функции в частотном представлении, при удалении от оси системы (т.е. на краях матрицы), где регистрируются высокие частоты, меньше, чем около оси из-за различного освещения объекта и, как следствие, освещенности его изображения. Это обстоятельство приводит к уменьшению (далее (4) и (5)), разрешения системы.
В заявляемом устройства преобразование Гауссового колоколообразного по сечению распределения интенсивности пучка в равномерное выполнено с помощью фильтра в виде амплитудно-фазовой маски, которая сглаживает распределение интенсивности, поднимая яркость на периферии, а также с помощью фильтра Гаусса, относящегося к числу сглаживающих фильтров. Известны также фильтры типа "Shaper 12_12", конвертирующие Гауссовое распределение лазерного пучка в прямоугольное распределение в видимой части спектра. Таким образом, создается одинаковая интенсивность по всему сечению пучка источника излучения. Запись голограммы с одинаковой интенсивностью интерференционных полос определяет высокий уровень амплитуды электрических сигналов, снятых с фотоприемников матрицы, а впоследствии характер и качество цифровой обработки изображения.
/5/.[ Bell.Syst.TechJ, v.45, 659, 1966].
/6/.[Материалы V Всесоюзной школы по голографии, с. 345-356,1973]. Оценка величины разрешения ЦГМ с полусферической матрицей.
В связи с тем, что критерий Rayleygh определен эмпирический путем для оптических устройств, с целью снятия зависимости от субъективности восприятия (две соседние точки разрешаются, если минимум интенсивности между ними достаточно мал, чтобы его разглядеть), то выражение разрешения согласно этому критерию (1) имеет различный вид. К примеру: коэффициент к порядка 1 и имеет разное значение в зависимости от размера и формы матрицы оптической системы, а именно, если форма плоская - круглая то он равен 1,22, если квадратная - 1, если полусфера - 0,7 (чем больше размер матрицы, тем выше разрешение при всех других равных условиях).
Поэтому можно определить разрешение для ЦГМ с полусферической матрицей по формуле (2) (R=k λ f/D), где:
k=0,7, a f/D=(R+ΔR)/πR≈0, 32, (R+ΔR) - это расстояние от внешнего отражающего объекта до источника, D -апертура полусферы, то согласно
формуле (2) для фиолетового лазера, где λ=4 мкм получаем следующее разрешение
R фиолет. ≈0,7×0,4×0,3=0, 08мкм,
а для λ=0,63мкм (He-Ne лазер)
R краcн. ≈0,7×0,6×0,3=0, 126мкм.
Таким образом, при использовании трех лазеров разрешение ЦГМ с полусферической матрицей определяется наименьшим разрешением восстановленного цветного изображения при записи красным лазером R≈0,123 мкм.
Вывод: в совокупности все существенные признаки, характеризующие устройство, обеспечивают повышение качества получаемого изображения и расширение функциональных возможностей устройства (запись на матрице голограммы прозрачных и отражающих объектов), а также запись объекта в цвете.
ЦГМ используется как для изучения прозрачных объектов (на пропускание), так и непрозрачных (на отражение), что связано с тем, что голография позволяет
записывать в одинаковой мере и тех, и других. ЦГМ может восстанавливать изображение заданного объекта с поверхности среды сложного состава. Объектами могут служить рачки, бактерии и другие микроорганизмы, а также снежные покрытия, твердые породы Земли или других космических тел.
ЛИТЕРАТУРА
1. D.Gabore. A new microscopic principle. Nature 161, pp 777-778, 1948.
2. Leith E.N. and Upatnieks J. Wavefront reconstruction with diffused illumination and three-dimensional objects. J. Opt. Soc. Am., v. 54, p.1295, 1964.
3. Alon Greenbaum, Alborz Feizi, Najva Akbari, and Aydogan Ozcan. Wide-field computional color imaging using pixel super-resolved on-chip microscopy. OPTICS EXPRESS, V.21, No. 10, May 2013.
4. D. Carl, B.K. Kemper, G. von Bally. Digital holographic microscope for living cell analysis. BMT 49 Extension Part 2, 978-979, 2004. Прототип.
5. L.H.Lin, R.S.Pennington, G.W.Stroke, A.E.Labeyrie. Bell.Syst.Tech.J. v.45, 659, 1966.
6. В.Г.Толчин, Б.Г.Турухано. Материалы V Всесоюзной школы по голографии, с.345-356, 1973.
7. Патент РФ № 2176806. Безрефлексный безыммерсионный планапохроматический высокоапертурный микрообъектив большого увеличения.