СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗЫ ОБЪЕКТНОГО ПУЧКА НА ПИКСЕЛЕ ФОТОПРИЕМНИКА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФАЗОВОГО ПОРТРЕТА ОБЪЕКТА
METHOD OF DETERMINING PHASE OF OBJECT BEAM ON PHOTODETECTOR PIXEL AND METHOD OF OBTAINING PHASE IMAGE OF OBJECT

Изобретение относится к области интерференционной оптики и может быть использовано в оптических системах, предназначенных для контроля различных параметров объекта наблюдения или получения видимых изображений, например, в микроскопах.
Интерференционный метод получения фазового изображения в общем случае заключается в использовании когерентного монохроматического пучка света, который разделяют на два пучка, один из которых направляют к исследуемому объекту, а другой - к фазовому модулятору, например плоскому зеркалу. Первый пучок (далее - объектный пучок), отражаясь от объекта, получает информацию об объекте в виде смещения фазы по сечению пучка, которое обусловлено различной длиной оптического пути волн вследствие изменяющегося по площади объекта рельефа или коэффициента преломления. Второй пучок (далее - опорный пучок) отражается от плоского зеркала и имеет неизменную фазу по сечению пучка. Оба пучка направляют на экран фотоприемника, где они образуют интерференционную картину (далее - интерферограмма).
Для получения фазового изображения объекта (или фазового портрета объекта) необходимо вычислить фазу объектного пучка на каждом пикселе экрана фотоприемника. Общеизвестным считается способ определения фазы объектного пучка, при котором требуются минимум три интерферограммы, позволяющие определить освещенность пикселя и полученные при различных значениях разности фаз объектного и опорного пучков.
Требуемое изменение разности фаз, как правило, получают сдвигом фазы опорного пучка (возможно также - объектного пучка), который осуществляют, например, путем изменения длины оптического пути опорного пучка при перемещении опорного зеркала. В этом случае измерения освещенности на пикселе оказываются разнесенными во времени (временная фазовая модуляция).
Однако существуют методики и одновременного получения нескольких интерферограмм, основанные в основном на разделении опорного или объектного пучка на идентичные пучки и направлении полученных пучков через различные фазовые модуляторы. В таком случае измерения освещенности на пикселе оказываются разнесенными в пространстве (пространственная фазовая модуляция).
Искомое значение фазы объектного пучка получают путем решения системы из трех или более уравнений
где i - номер измерения,
- освещенность на пикселе xy в i-м измерении,
- освещенность на пикселе xy, образованная объектным пучком (одинаковая для всех измерений),
ib
I - освещенность, образованная опорным пучком в i-м измерении (одинаковая для всех пикселей),
xy
φ - фаза объектного пучка на пикселе xy (одинаковая для всех измерений),
i
δ - фаза опорного пучка в i-м измерении (одинаковая для всех пикселей).
Изложенное решение реализовано в конструкциях измерительных оптических систем, например, представленных в публикациях JP 2001059714 A, G01B 9/02, 06.03.2001 и US 20050046865 A1, G01B 9/02, 03.03.2005, и выбрано как прототип изобретения. Недостатками данного решения является нечеткость полученного фазового изображения вследствие погрешности определения фазы.
Задачей изобретения является повышение качества фазового изображения. Для решения поставленной задачи предложены два объекта изобретения.
Первый объект изобретения направлен на повышение точности определения фазы объектного пучка в методах временной фазовой модуляции. Второй объект изобретения позволяет повысить качество фазового изображения, получаемого при использовании методов, как временной фазовой модуляции, так и пространственной фазовой модуляции. Первый объект изобретения может быть использован во втором объекте изобретения.
Первым объектом изобретения является способ определения фазы объектного пучка на пикселе фотоприемника интерференционным методом, при котором определяют не менее трех значений энергии, воспринятой пикселем фотоприемника за время экспозиции, при различных значениях фазы опорного пучка, а сдвиг фазы опорного пучка осуществляют путем изменения положения фазового модулятора. При этом для определения не менее одного значения воспринятой пикселем энергии получают зависимость освещенности пикселя от фазы при изменении положения фазового модулятора в течение времени экспозиции, с последующим интегрированием полученной зависимости на интервале времени экспозиции.
Фазовый модулятор может быть выполнен в виде зеркала, имеющего возможность перемещения вдоль линии оптического пути опорного пучка.
Технический результат, достигаемый первым объектом изобретения, заключается в снижении количества и размеров спекл-структур на фазовом портрете объекта.
Вторым объектом изобретения является способ получения фазового портрета объекта интерференционным методом, при котором определяют фазу объектного пучка на каждом пикселе из группы пикселей фотоприемника. Для каждого пикселя группы получают серию текущих значений фазы объектного пучка, которые определяют одновременно для всех пикселей группы при различном текущем сдвиге фазы объектного или опорного пучка. Далее для каждого пикселя группы получают серию промежуточных значений фазы объектного пучка путем вычитания из каждого полученного текущего значения фазы соответствующего ему текущего сдвига фазы.
При этом для каждого пикселя группы используют серию промежуточных значений фазы для определения окончательного значения фазы объектного пучка, а о предпочтительности промежуточного значения фазы судят по минимальной абсолютной разности между соответствующим ему текущим значением фазы и кратным полупериоду значением фазы, являющимся наиболее близким к указанному текущему значению фазы. Используют окончательные значения фазы каждого пикселя группы для получения фазового портрета объекта.
В частном случае второго объекта изобретения текущее значение фазы для каждого пикселя группы определяют путем проведения не менее трех измерений освещенности при различных значениях фазы опорного пучка. Группа пикселей может быть представлена в виде строки.
Технический результат, достигаемый вторым объектом изобретения, заключается в повышении точности определения фазы объектного пучка.
Осуществление изобретения будет пояснено ссылкой на фигуру со схематическим изображением устройства для получения фазового портрета объекта, в частности микроскопа.
Микроскоп содержит источник когерентного света (как правило - лазер) 1. Светоделитель 3, размещенный на оси лазерного пучка после поляризационного элемента 2, делит исходный пучок света 4 на два пучка - объектный 5 и опорный 6. Объектный пучок через объектив 7 направляется к объекту 8 и, отражаясь от него, попадает на светоделитель 3, через который проходит, сохраняя направление. Опорный пучок направляется на фазовый модулятор 9, который в данном случае представлен плоским зеркалом 10, оснащенным пьезоприводом. Отражаясь от фазового модулятора, опорный пучок меняет направление на светоделителе 3 и совместно с объектным пучком через линзу 11 и поляризационный анализатор 12 попадает на экран фотоприемника 13, где оба луча образуют интерферограмму. Информация с фотоприемника 13 поступает в компьютер 14, который через генератор напряжения 15 соединен с фазовым модулятором 9.
При перемещении фазового модулятора вдоль оптического пути опорного пучка происходит сдвиг фазы опорного пучка, вследствие чего интерферограмма меняет вид, т.е. изменяется освещенность пикселей экрана фотоприемника. Выполнение фазового модулятора в виде перемещающегося плоского зеркала является, однако, частным случаем изобретения.
В прототипе изобретения для определения фазы объектного пучка на пикселе осуществляют не менее трех измерений освещенности при различных фиксированных значениях фазы опорного пучка и одинаковом времени экспозиции. Последующие значения фазы опорного пучка получают путем сдвига фазы опорного пучка относительно первого значения фазы, являющегося стартовой точкой. Сдвиг фазы опорного пучка осуществляют перемещением фазового модулятора 10 на соответствующее расстояние, предпочтительно с последующим возвращением фазового модулятора в состояние, соответствующее стартовой точке. Далее решают систему уравнений (1) и находят фазу объектного пучка.
Проведение всех измерений освещенности при фиксированных значениях фазы опорного пучка приводит к существенной погрешности определения фазы объектного пучка, выражающейся в появлении на фазовом портрете значительного количества спекл-структур, имеющих при этом относительно большие размеры. Погрешность определения фазы объектного пучка в общем случае вызвана погрешностью определения освещенности и погрешностью требуемого перемещения фазового модулятора.
Для пояснения способа по первому объекту изобретения формулу (1) можно записать следующим образом:
где t - время экспозиции.
Поскольку в формулах (1) и (2) освещенность представляет собой энергию, воспринятую пикселем за единичное время, то энергия, воспринятая пикселем за время экспозиции равна
или
Согласно заявленному способу по первому объекту изобретения в течение времени экспозиции фазовый модулятор перемещается, изменяя фазу опорного пучка на величину сдвига фазы. Следовательно, фаза опорного пучка становится функцией времени экспозиции
i
i
δ=δ(t),
а уравнение (4) принимает вид
где
при этом интегрирование осуществляется на интервале времени экспозиции.
ib
Таким образом, для определения энергии, воспринятой пикселем за время экспозиции, получают зависимость освещенности на пикселе от времени и интегрируют полученную зависимость на интервале времени экспозиции. Энергия, воспринятая пикселем от опорного пучка E(t), рассчитывается для соответствующих сдвигов фазы по соотношению (7) заранее и входит в уравнение (5) в виде константы.
Далее решают систему из не менее трех уравнений (5) и находят фазу объектного пучка. Поскольку в течение времени экспозиции освещенность определяют множество раз при различных значениях фазы опорного пучка, то случайные погрешности перемещения фазового модулятора и определения энергии, воспринятой пикселем за время экспозиции, усредняются.
Следует отметить, что освещенность не является независимо определяемой величиной, а рассчитывается исходя из соотношения (3), таким образом, в прототипе также определяют энергию, воспринятую пикселем или единичной его площадью. Сама энергия может быть вычислена через электрический заряд, накопленный на пикселе за время экспозиции и который может быть определен непосредственно.
В рамках заявленного по первому объекту изобретения способа по изложенной выше методике могут быть определены все значения энергии, воспринятой пикселем фотоприемника, используемые для определения фазы объектного пучка. Возможна также любая комбинация известного и заявленного по первому объекту изобретения способов. Например, часть уравнений (5) из общего их числа может быть составлена при неизменной в течение времени экспозиции фазе опорного пучка, а другая часть - при изменяющейся.
При использовании способа по первому объекту изобретения усредняются случайные погрешности определения фазы объектного пучка, а значит повышается качество фазового портрета объекта. Однако существует возможность дальнейшего улучшения качества фазового портрета, реализованная во втором объекте изобретения.
В ходе исследований установлено, что погрешность определения фазы объектного пучка связана с освещенностью на пикселе, следующим образом: в максимуме производной освещенности по фазе погрешность определения фазы объектного пучка меньше. Производная освещенности по фазе имеет максимум при значениях фазы, кратных полупериоду: 0, π, 2π.
Согласно способу по второму объекту изобретения для каждого пикселя группы пикселей фотоприемника получают серию текущих значений фазы объектного пучка, которые определяют одновременно для всех пикселей группы при различном текущем сдвиге опорного пучка. Определение каждого текущего значения фазы объектного пучка может быть осуществлено способом по первому объекту изобретения или иным образом.
Первое текущее значение фазы в серии получают при нулевом текущем сдвиге опорного пучка относительно первой стартовой точки. Второе и последующие текущие значения фазы получают при смещении второй и последующих стартовых точек на величину текущего сдвига относительно первой стартовой точки. Причем целесообразно, чтобы все стартовые точки серии находились в пределах полупериода. Таким образом, текущий сдвиг для определения j-го текущего значения фазы равен разности фаз между j-й и первой стартовыми точками.
После получения серии текущих значений для каждого пикселя группы получают серию промежуточных значений фазы объектного пучка путем вычитания из каждого полученного текущего значения фазы соответствующего ему текущего сдвига фазы. Причем считают, что текущий сдвиг фазы имеет положительное направление, если он образован движением фазового модулятора в направлении светоделителя 3.
Используя серию промежуточных значений, определяют окончательное значение фазы исходя из следующего соображения. Поскольку текущее значение фазы, самое близкое к значениям 0, π, 2π, имеет наименьшую погрешность его определения, то и полученное на его основе промежуточное значение будет также иметь наименьшую погрешность. Следовательно, указанное промежуточное значение является предпочтительным и может быть выбрано в качестве окончательного значения. В то же время, окончательное значение может быть определено, например, как среднее между несколькими наиболее предпочтительными промежуточными значениями или другими способами. Важно, однако, что для определения окончательного значения больший вес придается тем промежуточным значениям, соответствующие которым текущие значения близки к значениям фазы, кратным полупериоду, а потому имеющим наименьшую погрешность их определения.
Способ по второму объекту изобретения будет пояснен на конкретном примере, представленном в Таблице 1.
Допустим группа пикселей состоит из двух пикселей A и B, одновременно для каждого из которых определена серия, состоящая из четырех текущих значений фазы объектного пучка при текущем сдвиге, кратном 0,33π. Промежуточные значения, каждое из которых получено вычитанием из текущего значения соответствующего текущего сдвига, различаются из-за погрешности определения текущих значений.
Для каждого текущего значения выбрано ближайшее к нему кратное полупериоду значение фазы и определена абсолютная разность между этими величинами. На основании полученной серии абсолютных разностей определен приоритет выбора промежуточного значения в качестве окончательного значения фазы, характеризующий предпочтительность промежуточного значения, причем приоритет тем выше, чем меньше абсолютная разность.
Таким образом, фазовый портрет объекта в рассмотренном примере представлен в виде окончательного значения фазы на пикселе A, в качестве которого выбрано промежуточное значение №3, и окончательного значения фазы на пикселе B, в качестве которого выбрано промежуточное значение №2.
Для упрощения примера окончательное значение фазы объектного пучка на каждом пикселе определено как равное промежуточному значению с минимальной абсолютной разностью между соответствующим ему текущим значением фазы и ближайшим к нему кратным полупериоду значением фазы, что, как указывалось выше, является частным случаем второго объекта изобретения.
Способ по второму объекту изобретения применим также и в том случае, если сдвиг фазы производится для объектного пучка, а фаза опорного пучка остается неизменной.
В качестве группы пикселей может быть выбрана строка, что может быть реализовано в технологии «катящийся затвор».
Таблица 1
Пиксель
Показатель
Номер в серии
1
2
3
4
А
Текущий сдвиг фазы
0
0,33*π
0,66*π
0,99*π
Текущее значение фазы
0,2*π
0,5*π
0,88*π
1,22*π
Промежуточное значение фазы
0,2*π
0,17*π
0,22*π
0,23*π
Ближайшее к текущему кратное полупериоду значение фазы
0
0
π
π
Абсолютная разность между текущим значением фазы и ближайшим кратным полупериоду значением фазы
0,2*π
0,5*π
0,12*π
0,22*π
Приоритет выбора окончательного значения
2
4
1
3
Окончательное значение фазы
0,22*π
В
Текущий сдвиг фазы
0
0,33*π
0,66*π
0,99*π
Текущее значение фазы
0,7*π
π
1,4*π
1,75*π
Промежуточное значение фазы
0,7*π
0,67*π
0,74*π
0,76*π
Ближайшее к текущему кратное полупериоду значение фазы
π
π
π
2*π
Абсолютная разность между текущим значением фазы и ближайшим кратным полупериоду значением фазы
0,3*π
0
0,4*π
0,25*π
Приоритет выбора окончательного значения
3
1
4
2
Окончательное значение фазы
0,67*π