ФАЗОКОНТРАСТНОЕ УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ИНВЕРТИРОВАННОГО ПО ЯРКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ НЕПРОЗРАЧНЫХ ОБЪЕКТОВ
PHASE-CONTRAST DEVICE TO GET BRIGHTNESS-INVERTED IMAGE OF OPAQUE OBJECTS

2
Изобретение относится к оптике, а именно к устройствам для инвертирования яркости изображения непрозрачных объектов, и может быть использовано для обработки изображений (получение позитива из негатива и наоборот) в схемах криптологии для измерения нелинейного коэффициента n нелинейной среды и т.п.
Z
Известен метод фазового контраста, предложенный Цернике, и основанные на его использовании фазоконтрастные устройства используют для наблюдения (визуализации) прозрачных объектов и структур, а также анализа волнового фронта световых пучков со слабыми фазовыми неоднородностями в различных областях физики и техники от оптической микроскопии, измерения слабого поглощения света средой до физики плазмы. Метод основан на линейной трансформации фазовой модуляции, вносимой разными элементами объекта, в амплитудную модуляцию. Для этого в задней фокальной плоскости объектива, являющейся спектральной плоскостью объектива, размещают ячейку (фильтр) Цернике. Ячейка Цернике создает селективный сдвиг фаз Θ≈±π/2 между нулевой и высшими пространственными гармониками световой волны, прошедшей сквозь прозрачный объект, что позволяет получить его видимое фазоконтрастное изображение.
В последнее время развивается фазоконтрастная техника, использующая нелинейные ячейки (фильтры) Цернике. Схемы нелинейного фазового контраста по сравнению с традиционными линейными в меньшей степени нуждаются в настройке, легко перестраиваются, а требуемый сдвиг фаз достигается путем выбора соответствующей интенсивности света, поступающей в нелинейную среду. В этом случае в качестве фильтра Цернике используют слой фототропного вещества, изменяющего свои оптические свойства (коэффициент пропускания и/или коэффициент преломления) под действием излучения. Регулируя мощность источника света и тем самым изменяя оптические свойства фототропного вещества в основном в области нулевой пространственной частоты, получают самонаведенный фильтр пространственных частот.
Основное применение разработанные фазоконтрастные устройства находят в сфере визуализации фазовых неоднородностей. Известна конструкция фазоконтрастного устройства, в котором в качестве самонаводящегося фильтра Цернике выступает кювета с жидкой средой, обладающей большой величиной потерь αl на поглощение излучения (Фазоконтрастное устройство для визуализации прозрачных объектов // Патент RU на изобретение №2353961. G02B 27/52, публ. 2009). Фазоконтрастное устройство 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. Прошедшая через исследуемый прозрачный объект плоская волна частично поглощается в кювете с жидкой средой, где в конечном итоге формируется тепловая линза и вызывает необходимую расфазировку пространственных частот излучения. Таким образом, преобразуя фазовые изменения в рельефе волны в амплитудные, осуществляют визуализацию исследуемого прозрачного объекта. Известное техническое решение не позволяет получать инвертированное по яркости изображение исходного непрозрачного объекта, что необходимо в некоторых практических приложениях.
Характерной особенностью фоторефрактивных сред является ассиметричное светоиндуцированное рассеяние, называемое феннингом (fanning). Проходящий через фоторефрактивный кристалл лазерный пучок вызывает появление относительно широко углового «веера» рассеянного света (А.А. Зозуля. «Влияние фенинга на характеристики самонакачивающихся схем 4-волнового смешения в фоторефрактивных средах». Квантовая электроника, 19. №8 (1992)). Обычно такой эффект является препятствием для получения голографических записей, усиления изображений, обращений волнового фронта, но при этом оказалось возможным использовать этот эффект для выделения контуров объектов и инвертирование яркости изображения. Известна конструкция устройства (Edge enhancement, contrast reversal and logic operations using beam fanning in a photorefractive iron-doped barium titanate crystal, KANWAL KAMRA and K. SINGH. JOURNAL OF MODERN OPTICS, 1995, VOL. 42, NO. 3, 607-618), в которой в виде фоторефрактивной среды используется нормально вырезанный кристалл титаната бария, расположенный в задней фокальной плоскости объектива. Направленный свет от лазера проходит через полуволновую пластинку для получения смешанной поляризации во входном пучке. Затем с помощью двух поляризационных делителей, переменного аттенюатора и обтюратора выделяют две компоненты луча с обыкновенной и необыкновенной поляризацией, при этом одна компонента луча при необходимости может быть подавлена. Затем пройдя через плоскость объекта, объектив и фоторефрактивную среду, выходной луч фильтруется с помощью анализатора и отображается на детекторе или CCD камере, помещенной в плоскости изображения. Предложенная схема достаточно сложна и редко используется для практического применения, к тому же при использовании предложенного устройства происходит полная инверсия всего изображении, в том числе и фона. Другим недостатком устройства является сложность и высокая стоимость изготовления легированного железом кристалла титаната бария, используемого в качестве нелинейно-оптической среды.
Наиболее близким по технической сущности заявляемой конструкции является устройство, выбранное в качестве прототипа, позволяющее осуществить инверсию контраста объекта, помещенного в фокусе линзы, использующее принцип обратного распространения. (Alexandre Goy, Demetri Psoitis, Digital reverse propagation in focusing Kerr media // Physical Review.2011, A 83, 031802 (R)). Исследуемый непрозрачный объект освещается сходящимся светом, прошедшим от источника излучения через фокусирующую линзу, в задней фокальной плоскости которой установлен нелинейно-оптический фильтр Цернике, выполненный в виде ячейки с фокусирующей нелинейной средой. Изображение объекта регистрируется CCD камерой с объективом, расположенным за ячейкой с нелинейной средой. Параллельно основной линии распространения луча проходит линия задержки, позволяющая передавать опорный луч для записи полной фазы и амплитуды на одном снимке, при этом энергия импульса источника излучения контролируется с помощью фотодиода. В данном устройстве фильтр Цернике выполнен на Керровской нелинейности в виде ячейки толщиной 10 мм, заполненной ацетоном. В качестве источника излучения используют титан-сапфировый лазер, излучающий импульсы длительностью 150 фс на длине волны 800 нм с частотой повторения 10 Гц, при этом мощность в импульсе составляет примерно 19 МВт, это так называемая критическая мощность. И хотя, как известно, для инверсии контраста достаточно половины критической мощности, все равно требуемая величина мощности источника излучения в данном случае составляет около 10 МВт.
Недостатком прототипа является относительно сложная конструкция и необходимость использовать в качестве источника излучения импульсный лазер большой мощности порядка единиц МВт.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка простого и легко реализуемого фазоконтрастного устройства получения инвертированного по яркости изображения непрозрачных объектов или структур с фильтром Цернике из недорогого и доступного материала при меньшей требуемой мощности освещающего объект излучения.
Указанный технический результат в заявляемом фазоконтрастном устройстве получения инвертированного по яркости изображения непрозрачных объектов достигается за счет того, что оно, как и устройство прототип, содержит одномодовый лазер, по крайней мере, один объектив, ячейку с кубично нелинейной средой, установленную в задней фокальной плоскости объектива, и блок регистрации и воспроизведения непрозрачных объектов.
Новым в разработанном фазоконтрастном устройстве для получения инвертированного по яркости изображения непрозрачных объектов является то, что в качестве ячейки с кубично нелинейной средой использована фототермическая ячейка Цернике на тепловой нелинейности, а в качестве одномодового лазера использован лазер непрерывного излучения мощностью не более 10 мВт.
В 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.
На фиг. 1 представлена оптическая схема разработанного фазоконтрастного устройства для получения инвертированного изображения непрозрачного объекта или структуры с одним объективом и фототермической ячейкой Цернике на тепловой нелинейности.
На фиг. 2 представлена оптическая схема разработанного фазоконтрастного устройства для получения инвертированного изображения непрозрачного объекта или структуры с двумя объективами и фототермической ячейкой Цернике на тепловой нелинейности.
На фиг. 3 представлены изображения непрозрачного объекта и соответствующая обработка изображений, полученные при разных величинах мощности источника излучения.
Устройство, представленное на фиг. 1, содержит источник 1 когерентного одномодового излучения, аттенюатор 2, регулирующий мощность излучения, объектив 3, в задней фокальной плоскости которого установлена фототермическая ячейка Цернике 4 с кубично нелинейной средой, и цифровая камера 5 для обработки и воспроизведения полученного инвертированного изображения, установленная в плоскости изображения объектива 3. При этом сам непрозрачный объект 6 устанавливается после аттенюатора 2 перед объективом 3 в его предметной плоскости. Фототермическая ячейка Цернике 4 устанавливается в задней фокальной плоскости объектива 3 так, что фокус объектива 3 находится внутри ячейки 4.
В качестве источника 1 когерентного излучения может быть использован одномодовый линейно поляризованный, например гелий-неоновый, лазер, а также твердотельные или полупроводниковые одномодовые лазеры небольшой мощности (до 10 мВт).
В качестве аттенюатора 2, регулирующего мощность излучения, поступающую на объект 6, может быть использована призма Глана или нейтральные светофильтры.
В качестве объектива 3 могут быть использованы объективы или линзы с различными фокусными расстояниями F.
В качестве фототермической ячейки Цернике 4 на тепловой нелинейности может быть использована, например, жидкостная кварцевая кювета, заполненная кубично нелинейной средой. В качестве кубично нелинейной среды с тепловой нелинейностью может быть использован ацетон, спирт с добавлением красителей в виде раствора бриллиантовой зелени или йода. Также в качестве фототермической ячейки Цернике 4 на тепловой нелинейности может выступать плоскопараллельная пластина из окрашенного плексигласа.
В качестве цифровой камеры 5 может быть использована как камера, изготовленная на основе CCD-матрицы, так и камера на основе CMOS-матрицы.
Фазоконтрастное устройство, изготовленное в соответствии с п. 2 формулы и представленное на фиг. 2, содержит дополнительно введенный объектив 7, установленный таким образом, что его передний фокус совпадает с задним фокусом объектива 3 и расположен внутри фототермической ячейки Цернике 4. Это схема построения фазоконтрастного устройства с двумя объективами известна как «4f-схема» (см., например, Б. Салех, М. Тейх. «Оптика и фотоника. Принципы применения», Т. 1. Изд. Дом: Интеллект, 2012. 770 стр.). Такая оптическая схема практически не дает увеличенного изображения объекта по сравнению с исходным изображением, но может быть использована как пространственный фильтр, если в Фурье-плоскости располагается маска с определенным заданным коэффициентом пропускания.
Фазоконтрастное устройство для получения инвертированного изображения непрозрачного объекта или структуры, представленное на фиг. 1, работает следующим образом.
Непрозрачный объект 6, расположенный в предметной плоскости объектива 3, освещается гауссовым пучком одномодового линейно-поляризованного источника излучения 1. Величина мощности излучения, прошедшего через объект 6, регулируется за счет настройки аттенюатора 2. Прошедшее излучение объективом 3 фокусируется в фототермическую ячейку Цернике 4, внутри которой за счет частичного поглощения света формируется неоднородный профиль температуры и, следовательно, неоднородный профиль показателя преломления, приводящий к необходимому сдвигу фаз между нулевой и высшими пространственными частотами. Инверсия контраста происходит, когда низкие пространственные частоты поля несут большую часть мощности и нелинейно сдвинуты по фазе относительно высоких пространственных частот. Этот эффект в нашем случае позволяет получить инверсию контрастности исходного объекта 6, при этом фототермическая ячейка Цернике 4 осуществляет требуемый в данном случае полуволновый сдвиг фаз, равный π. В результате чего в плоскости изображения объектива 3 с помощью CCD камеры 5 получают инвертированное по яркости изображение исходного непрозрачного объекта 6.
Фазоконтрастное устройство для получения инвертированного изображения непрозрачного объекта или структуры, представленное на фиг. 2, работает подобным же образом, за исключением того, что не позволяет получать сильно увеличенное изображение объекта 6. Увеличение обычно может составлять 2÷3 раза, а при одинаковых объективах 3 и 7 получаемое изображение объекта 6 по геометрическому размеру равно исходному. Также 4-f схема позволяет сделать устройство более компактным за счет уменьшения расстояния от источника излучения 1 до плоскости изображения.
В примере конкретной реализации в качестве источника 1 когерентного излучения использовался одномодовый линейно-поляризованный He-Ne лазер мощностью Р≤6 мВт, длиной волны λ=0,63 мкм, диаметром D≈1 см. В качестве аттенюатора 2 использовался нейтральный светофильтр типа НС-2 или НС-3, в качестве фототермической ячейки Цернике 4 использовалась кювета толщиной 2 мм, заполненная ацетоном, с добавленным в него раствором бриллиантовой зелени. Инвертированное по яркости изображение объекта 6 регистрировалось цифровой CMOS - камерой типа DCC1545M.
В другом примере конкретной реализации в качестве фототермической ячейки Цернике 4 использовалась плоскопараллельная пластинка толщиной 2 мм из окрашенного (зеленого) плексигласа.
В качестве непрозрачного объекта 6, изображение которого инвертируется по яркости, в примере конкретной реализации использовалась непрозрачная сетка на стеклянной подложке, расстояния между штрихами сетки составляют 100 мкм.
Полученное обработанное изображение сетки 6 при различных милливатных мощностях освещающего пучка источника излучения 1 показаны на фиг. 3. На фиг. 3а представлено исходное изображение - негатив, полученное при мощности излучения источника 1 менее 1 мВт. На фиг. 3б представлено изображение, получаемое при примерно половинной величине необходимой мощности излучения, при этом контрастность получаемого изображения минимальна, непрозрачный объект 6 слабо различим на исходном фоне. На фиг. 3 в показано инвертированное изображение исходного объекта 6, полученное при мощности источника ~6 мВт. Результаты обработки изображения, преобразованного в позитивное, показывают, что достигается преобразование в позитивное изображение до 350%, относительно интенсивности падающего излучения. Смена описанных режимов происходит за счет наведения и релаксации тепловой линзы внутри фототермической ячейки Цернике 4 под действием изменяющейся мощности источника излучения 1. Время смены режимов составляет доли секунды.
Таким образом, предлагаемое устройство обладает хорошим качеством воспроизведения изображения, легко реализуемо и не требует значительной мощности освещающего объект излучения.