RU2029976C1

RU2029976C1 - Method and optic polarization nanoscope for visualization of microcontrast objects

Info

Publication number: RU2029976C1
Application number: RU94016884A
Authority: RU
Inventors: А.В. Тавров; И.Н. Мазалов; Д.В. Ублинский; К.А. Коган; В.А. Андреев; К.В. Индукаев; В.М. Музафаров
Original assignee: Центр бесконтактной нанотехнологии и наномеханики "НАНОТЕХ"
Priority date: 1994-05-23
Filing date: 1994-05-23
Publication date: 1995-02-27

Abstract

FIELD: digital polarization technique. SUBSTANCE: method involves interpreting each element of illuminated field of a microobject by spatial distributions such as refraction index, physical height, flat angles. The method is characterized in that in a far diffraction zone superresolution effect is realized due to simultaneously measuring parameters of polarization, amplitudes and phases at coherent monochromatic illumination. EFFECT: enhanced resolution. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к оптике для исследования микрообъектов с линейным разрешением выше 100-50 нм, в частности, к оптической технологии для исследования микрообъектов со слабо выраженным визуальным контрастом, в медико-биологических исследованиях объектов прижизненной микроскопии, а также - динамических процессов и их функций корреляции. The invention relates to optics for the study of microobjects with a linear resolution higher than 100-50 nm, in particular, to optical technology for the study of microobjects with weakly pronounced visual contrast, in biomedical research of intravital microscopy objects, as well as dynamic processes and their correlation functions.

Известен способ визуализации с помощью оптического микроскопа, заключающийся в том, что строят два действительных изображения объекта, различающихся оптическими характеристиками - амплитудой, частотой, поляризацией, фазой, длительностью. Эти изображения сканируют с помощью электронных узлов микроскопа и усиливают. Разность видеосигналов, характеризующих различные изображения, используют для формирования видимого изображения (патент ФРГ N 2437984, 1976). A known method of visualization using an optical microscope, which consists in constructing two real images of the object, differing in optical characteristics - amplitude, frequency, polarization, phase, duration. These images are scanned using electronic components of the microscope and amplified. The difference of the video signals characterizing various images is used to form a visible image (German patent N 2437984, 1976).

Недостатком данного способа является сложность и невысокое линейное разрешение. The disadvantage of this method is the complexity and low linear resolution.

Из уровня техники наиболее близким является способ визуализации микроконтрастных объектов, при котором монохроматическим, поляризованным и когерентным излучением осуществляют засветку поля микрообъекта, отраженное излучение преобразуют электрически в соответствующие точки изображения (авт.св. СССР 1734066, 1992). From the prior art, the closest is a method for visualizing micro-contrast objects, in which monochromatic, polarized and coherent radiation illuminates the field of a micro-object, the reflected radiation is converted electrically to the corresponding image points (ed. St. USSR 1734066, 1992).

Из уровня техники наиболее близким является микроскоп, содержащий установленные на одной оптической оси лазер, модулятор, светоделитель, первый микрообъектив, а на второй - оптической оси, перпендикулярной первой, по одну из сторон от светоделителя - фотоприемник, соединенный с фазометрическим каналом, а также генератор модулирующих напряжений, соединенный с модулятором (авт.св. СССР N 1734066, 1992). The closest prior art is a microscope containing a laser, a modulator, a beam splitter, a first micro-lens mounted on one optical axis, and a optical axis perpendicular to the first, and a photodetector connected to a phase meter channel and a generator on one side of the beam splitter modulating voltages connected to a modulator (ed. St. USSR N 1734066, 1992).

Недостатком способа и устройства для его реализации является недостаточно высокое линейное разрешение, обусловленное ограничением размера пятна фокусировки, а также погрешностью при сканировании. The disadvantage of the method and device for its implementation is not a high linear resolution due to the limitation of the size of the focus spot, as well as the error during scanning.

Целью изобретения является повышение качества визуализации микроконтрастных объектов за счет увеличения линейного разрешения. The aim of the invention is to improve the quality of visualization of micro-contrast objects by increasing linear resolution.

Поставленная цель достигается тем, что в способе визуализации микроконтрастных объектов, при котором монохроматическим, поляризованным и когерентным излучением осуществляют засветку поля микрообъекта, а отраженное излучение электрически преобразуют в соответствующие точки изображения, засветку поля микрообъекта осуществляют в фазометрическом и поляризационном режимах работы наноскопа, отраженное излучение преобразуют путем сканирования по X,Y координатам и положению фокусировки по Z координате в набоp от пространственных координат { x,y,z} фаз Ф электрических сигналов, которые электрически обрабатывают методом временных интервалов и амплитуды переменной составляющей γ электрического сигнала, которую обрабатывают методом синхронного детектирования, при этом в поляризационном режиме работы наноскопа по измеренным значениям определяют азимут поляризации ϑ (x,y,z) и анизотропию Δ(x,y,z) из системы уравнений:
Δ (x,y,z) = π -2Ф_эл(x,y,z).This goal is achieved by the fact that in the method of visualizing micro-contrast objects, in which monochromatic, polarized and coherent radiation, the field of the micro-object is illuminated, and the reflected radiation is electrically converted to the corresponding image points, the field of the micro-object is illuminated in the phase and polarization modes of the nanoscope, the reflected radiation is converted by scanning along the X, Y coordinates and the focus position along the Z coordinate in a set of spatial coordinates t {x, y, z} phases Φ of electric signals that are electrically processed by the method of time intervals and the amplitude of the variable component γ of the electric signal, which is processed by the synchronous detection method, and in the polarization mode of the nanoscope operation, the polarization azimuth ϑ (x, y, z) and anisotropy Δ (x, y, z) from the system of equations:
Δ (x, y, z) = π -2F _e (x, y, z).

Ψ(x, y, z) =

arcsin

, где Ф_эл(x,y,z) - измеренный цифровой массив функции фазы поля микрообъекта;
γ_эл(x,y,z) - измеренный цифровой массив функции амплитуды поля микрообъекта.Ψ (x, y, z) =

arcsin

where Ф _el (x, y, z) is the measured digital array of the phase function of the field of the micro-object;
γ _el (x, y, z) is the measured digital array of the amplitude function of the field of the micro-object.

В интерференционном режиме измеряют величины амплитуды γ_инт и фазы Ф_инт при фиксированных поляризациях засветки δ_i,а каждый элемент засвеченного поля микрообъекта интерпретируют показателем преломления n, физической высотой h, плоскими углами элемента α,β и определяют по формулам:
n(x,y) = f₁[ ϑ(x,y), Δ(x,y), Ф_инт(x,y, δ_i), γ_инт(x,y, δ_i)]
h(x,y) = f₂[ϑ (x,y),Δ (x,y), Ф_инт(х,y, δ_i), γ_инт(x,y, δ_i)]
α (x,y) = f₃[ϑ (x,y), Δ(x,y),Ф_инт(x,y, δ_i), γ_инт(x,y, δ_i)]
(2)
β (x,y) = f₄[ϑ (x,y), Δ(x,y),Ф_инт(x,y, δ_i), γ_инт(x,y, δ_i)]
где f₁,...,f₄ - функции соответствующих величин;
Ф_инт- измеренный цифровой массив функции фазы поля микрообъекта;
γ_инт- измеренный цифровой массив функции амплитуды поля микрообъекта;
δ_i - фиксированные поляризации входного излучения засветки в соответствии с фиксированными значениями модулирующего напряжения U₂₀,U₂₁,...,U_2i.In the interference mode, the values of the amplitude γ _int and phase Ф _int are measured for fixed illumination polarizations δ _i , and each element of the illuminated field of the micro-object is interpreted as the refractive index n, physical height h, flat angles of the element α, β and determined by the formulas:
n (x, y) = f ₁ [ϑ (x, y), Δ (x, y), Ф _int (x, y, δ _i ), γ _int (x, y, δ _i )]
h (x, y) = f ₂ [ϑ (x, y), Δ (x, y), Ф _int (x, y, δ _i ), γ _int (x, y, δ _i )]
α (x, y) = f ₃ [ϑ (x, y), Δ (x, y), Ф _int (x, y, δ _i ), γ _int (x, y, δ _i )]
(2)
β (x, y) = f ₄ [ϑ (x, y), Δ (x, y), Ф _int (x, y, δ _i ), γ _int (x, y, δ _i )]
where f ₁ , ..., f ₄ are functions of the corresponding quantities;
F _int - the measured digital array of the phase function of the field of the micro-object;
γ _int - the measured digital array of the amplitude function of the field of the micro-object;
δ _i - fixed polarization of the input radiation of the illumination in accordance with the fixed values of the modulating voltage U ₂₀ , U ₂₁ , ..., U _2i .

Поставленная цель достигается также тем, что в оптическом поляризационном наноскопе, содержащем установленные на одной оптической оси лазер, модулятор, светоделитель, первый микрообъектив, а на второй оптической оси, перпендикулярной первой, по одну из сторон светоделителя - фотоприемник, соединенный с фазометрическим каналом, а также генератор модулирующих напряжений, соединенный с модулятором, введены установленные на первой оптической оси между лазером и электрооптическим модулятором, конденсор, между светоделителем и первым микрообъективом - шторка, а за упомянутым микрообъективом - зеркало с пьезоэлектрическим модулятором, а на второй оптической оси по одну из сторон от светоделителя - второй микрообъектив, установленный с возможностью перемещения вдоль упомянутой оси, а по другую - соответственно анализатор, окуляр и сканирующий фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с расположенным вне его рабочей зоны, но в поле его засветки, упомянутым фотоприемником, а также второй идентичный первому фазометрический канал, амплитудный канал, блок управления шторкой, блок системы автофокусировки второго микрообъектива, блок программного управления, соединенный через шину обмена с микро-ЭВМ, причем выход фотоэлектронного умножителя соединен соответственно через амплитудный и второй фазометрический каналы с первым и вторым информационными входами блока программного управления, третий вход которого - с выходом первого фазометрического канала, первый, второй, третий и четвертый управляющие выходы блока программного управления соединены соответственно со входом управления генератора модулирующих напряжений, со входом управления блока системы автофокусировки, со входом блока управления шторкой и входом управления сканированием фотоэлектронного умножителя, второй выход генератора модулирующих напряжений соединен со вторыми входами управления первого, второго фазометрических каналов и вторым входом управления амплитудного канала, третий его выход - со входом управления пьезоэлектрическим модулятором, при этом первый и второй фазометрические каналы включают в себя первую дифференциальную схему, управляющий вход которой соединен с информационным входом первого синхронного фильтра, а выход - через первую схему выделения фронта импульса с первым входом формирования импульса, а выход первого синхронного фильтра через последовательно соединенные усилитель-ограничитель, делитель частоты на два, вторую схему выделения фронта импульса - со вторым входом схемы формирования импульса, выход которой через схему совпадения соединен со входом выходного счетчика, а схема совпадения через второй вход - с генератором импульсов, а амплитудный канал включает в себя вторую дифференциальную схему, выход которой через последовательно соединенные третью схему выделения фронта импульса, второй синхронный фильтр с информационным входом и фильтр нижних частот соединен со входом выходного аналого-цифрового преобразователя. На чертеже изображено устройство для реализации предлагаемого способа, где на фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг.2 - блок-схема первого и второго фазометрических каналов; на фиг.3 - блок-схема амплитудного канала; на фиг. 4 - схема расположения фотоприемника относительно фотоэлектронного умножителя; на фиг.5 - диаграммы сигналов для блок-схемы фиг.1, 2, 3. The goal is also achieved by the fact that in an optical polarizing nanoscope containing a laser, a modulator, a beam splitter, a first micro lens, and on a second optical axis perpendicular to the first, a photodetector connected to a phase meter channel on one side of the beam splitter, and also a modulating voltage generator connected to the modulator, introduced a condenser installed on the first optical axis between the laser and the electro-optical modulator, between the beam splitter and the first micro the lens is a shutter, and behind the mentioned micro-lens there is a mirror with a piezoelectric modulator, and on the second optical axis, on one side of the beam splitter, there is a second micro-lens mounted with the possibility of movement along the said axis, and on the other, respectively, an analyzer, an eyepiece and a scanning photoelectron multiplier ( PMT) with a photodetector located outside its working area, but in its field of illumination, as well as a second phase-identical channel, amplitude channel, shutter control unit, system unit focusing of the second micro-lens, a program control unit connected via an exchange bus with a microcomputer, the output of the photoelectronic multiplier being connected respectively through the amplitude and second phase-measuring channels to the first and second information inputs of the program-control unit, the third input of which is the output of the first phase-measuring channel, the first , the second, third and fourth control outputs of the program control unit are connected respectively to the control input of the modulating voltage generator, with the control unit input of the autofocus system, with the input of the shutter control unit and the scan control input of the photomultiplier tube, the second output of the modulating voltage generator is connected to the second control inputs of the first, second phase-measuring channels and the second control input of the amplitude channel, its third output is with the control input of the piezoelectric modulator, the first and second phase-measuring channels include a first differential circuit, the control input of which is connected to information the input of the first synchronous filter, and the output through the first circuit of the front of the pulse with the first input of the pulse formation, and the output of the first synchronous filter through the serially connected amplifier-limiter, the frequency divider by two, the second circuit of the front of the pulse with the second input of the pulse formation circuit the output of which through the coincidence circuit is connected to the input of the output counter, and the coincidence circuit through the second input is connected to the pulse generator, and the amplitude channel includes a second differential a circuit whose output is connected in series through a third pulse edge extraction circuit, a second synchronous filter with an information input, and a low-pass filter is connected to the input of the output analog-to-digital converter. The drawing shows a device for implementing the proposed method, where in FIG. 1 shows a block diagram of a device; figure 2 is a block diagram of the first and second phaseometric channels; figure 3 is a block diagram of an amplitude channel; in FIG. 4 is a location diagram of a photodetector relative to a photoelectronic multiplier; figure 5 - signal diagrams for the block diagram of figure 1, 2, 3.

Наноскоп для визуализации микроконтрастных объектов, реализующий предлагаемый способ, содержит установленные на одной оптической оси лазер 1, конденсор 2, электрооптический модулятор 3, светоделитель 4, шторку 5, первый микрообъектив 6 и зеркало 7 с пьезоэлектрическим модулятором 8, а на второй оптической оси, перпендикулярной первой, по одну сторону от светоделителя - второй микрообъектив 9, установленный с возможностью перемещения вдоль упомянутой оси, а по другую - анализатор 10, окуляр 11 и сканирующий фотоэлектронный умножитель 12 с фотоприемником 13, расположенным вне его рабочей зоны, но в поле его засветки, а также первый 14 и второй 15 идентичные фазометрические каналы, амплитудный канал 16, генератор модулирующих напряжений 17, блок управления шторкой 18, блок системы автофокусировки 19 второго микрообъектива 9, блок программного управления 20, через шину обмена 21 соединенный с микро-ЭВМ 22, причем выход фотоэлектронного умножителя 12 соединен соответственно через амплитудный 16, второй 15 фазометрический каналы с первым и вторым информационными входами блока программного управления 20, третий вход которого через первый 14 фазометрический канал - с выходом фотоприемника 13, первый, второй, третий и четвертый управляющие выходы блока программного управления 20 соединены соответственно со входом управления генератора модулирующих напряжений 17, со входом управления блока системы автофокусировки 19, со входом блока управления шторкой 18 и входом управления сканированием фотоэлектронного умножителя 12, первый выход генератора модулирующих напряжений 17 соединен со входом управления электрооптическим модулятором 3, второй его выход - со вторыми входами управления фазометрических 14, 15 и амплитудного 16 каналов, третий его выход - со входом управления пьезоэлектрическим модулятором 8, при этом первый и второй идентичные фазометрические каналы включают в себя первую дифференцирующую схему 23, управляющий вход которой соединен с информационным входом первого 24 синхронного фильтра, а выход - через первую 25 схему выделения фронта импульса с первым входом формирования импульса 26, а выход первого 24 синхронного фильтра через последовательно соединенные усилитель-ограничитель 27, делитель частоты на два 28, вторую схему 29 выделения фронта импульса - со вторым входом схемы формирования импульса 26, выход которой через схему совпадения 30 соединен со входом выходного счетчика 31, а схема совпадения 30 через второй вход - с генератором импульсов 32, а амплитудный канал 16 включает в себя вторую 33 входную дифференцирующую схему, выход которой через последовательно соединенные третью 34 схему выделения фронта импульса, второй 35 синхронный фильтр с информационным входом и фильтр нижних частот 36 соединен со входом выходного аналого-цифрового преобразователя 37. A nanoscope for visualizing micro-contrast objects that implements the proposed method comprises a laser 1, a condenser 2, an electro-optical modulator 3, a beam splitter 4, a curtain 5, a first micro-lens 6 and a mirror 7 with a piezoelectric modulator 8 mounted on one optical axis, and perpendicular to the second optical axis the first, on one side of the beam splitter - the second micro-lens 9, mounted with the possibility of movement along the mentioned axis, and on the other - the analyzer 10, the eyepiece 11 and a scanning photoelectronic multiplier 12 with photodetector 13, located outside its working area, but in the field of illumination, as well as the first 14 and second 15 identical phase-difference channels, amplitude channel 16, modulating voltage generator 17, shutter control unit 18, autofocus system unit 19 of the second micro-lens 9, software unit control 20, through the exchange bus 21 connected to the microcomputer 22, and the output of the photoelectronic multiplier 12 is connected respectively through the amplitude 16, second 15 phase meter channels with the first and second information inputs of the program control unit 20, the third input of which through the first 14 phase channel with the output of the photodetector 13, the first, second, third and fourth control outputs of the program control unit 20 are connected respectively to the control input of the modulating voltage generator 17, to the control input of the AF unit 19, with the input the shutter control unit 18 and the scanning control input of the photoelectronic multiplier 12, the first output of the modulating voltage generator 17 is connected to the control input of the electro-optical modulator 3, the second its output is with the second control inputs of the phasometric 14, 15 and amplitude 16 channels, its third output is with the control input of the piezoelectric modulator 8, while the first and second identical phase measuring channels include a first differentiating circuit 23, the control input of which is connected to the information input of the first 24 synchronous filter, and the output through the first 25 pulse edge allocation circuit with the first pulse shaping input 26, and the output of the first 24 synchronous filter through series-connected amplifier an anticharacter 27, a frequency divider by two 28, a second pulse edge extraction circuit 29 with a second input of a pulse generating circuit 26, the output of which is connected to the input of the output counter 31 through a matching circuit 30, and a matching circuit 30 through a second input to a pulse generator 32, and the amplitude channel 16 includes a second 33 input differentiating circuit, the output of which is through a series 34 connected to the pulse front-side allotment circuit 34, a second 35 synchronous filter with an information input and a low-pass filter 36 is connected to the output one analog-to-digital converter 37.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В предложенном способе визуализации получают эффект сверхразрешения в дальней зоне дифракции благодаря предложенной схеме построения наноскопа. Сверхразрешение предполагает следующие требования: источники вторичного излучения должны быть когеpентными, монохроматическими, иметь различные поляризации и фазы. В этом случае функции суммарного поля, то есть азимут поляризации ϑ (x,y, z), анизотропия Δ (x,y,z), фаза Ф(x,y,z) и амплитуда переменной составляющей (видности модуляции) γ (x,y,z) изменяются вдоль всего поля и возможна идентификация точек поля с различными функциями ϑ, Δ, Ф,γ. The proposed method is implemented as follows. In the proposed imaging method, the effect of superresolution in the far diffraction zone is obtained due to the proposed nanoscope construction scheme. Superresolution implies the following requirements: sources of secondary radiation must be coherent, monochromatic, have different polarizations and phases. In this case, the functions of the total field, i.e., the polarization azimuth ϑ (x, y, z), anisotropy Δ (x, y, z), phase Φ (x, y, z) and the amplitude of the variable component (visibility of modulation) γ (x , y, z) vary along the entire field and identification of field points with various functions ϑ, Δ, Ф, γ is possible.

В предложенном способе используют два режима работы наноскопа: поляризационный и интерференционный режимы измерений. Это связано с тем, что каждый элемент засвеченного лазером 1 поля микрообъекта монохроматическим, поляризационным и когерентным излучением интерпретируется показателем преломления n, физической высотой h, плоскими углами элемента α,β и определяется по формулам (2). In the proposed method, two nanoscope operating modes are used: polarization and interference measurement modes. This is due to the fact that each element of the microobject field illuminated by laser 1 with monochromatic, polarization, and coherent radiation is interpreted by the refractive index n, physical height h, and plane angles of the element α, β and is determined by formulas (2).

По полученным с помощью наноскопа (фиг.1) массивам данных решают систему уравнений (2) в следующей последовательности, что является одним из возможных решений с применением законов: Снеллиуса в приближении действительных показателей преломления сред, формализма векторов Джонса для описания состояния поляризации, законов Френеля для коэффициентов отражений s- и p-поляризаций, некоторых уравнений эллипсометрии:
1.Using the data arrays obtained using the nanoscope (Fig. 1), the system of equations (2) is solved in the following sequence, which is one of the possible solutions using the laws: Snellius in the approximation of real refractive indices of media, formalism of Jones vectors to describe the state of polarization, Fresnel laws for reflection coefficients of s- and p-polarizations, some ellipsometry equations:
1.

α (x,y) = f₃[ γ_инт(x,y, δ_i)]
f₃: α(x,y) = arctg

,
(Функция f₃ в явном виде), где начальные поляризации засветки δ_o и

обеспечивают взаимно перпендикулярные р и s 2 поляризации.α (x, y) = f ₃ [γ _int (x, y, δ _i )]
f ₃ : α (x, y) = arctg

,
(Function f ₃ explicitly), where the initial polarization of the illumination δ _o and

provide mutually perpendicular p and s 2 polarization.

2. 2.

β (x.y) = f₄[ϑ (x,y), Δ(x,y), γ_инт(x,y, δ_i)]
f₄:

=
sin²β(x,y) +

,
(Функция f₄ в неявном виде) где ρ (x,y) = tgϑ (x,y)exp{iΔ (x,y)}
начальные поляризации засветки δ_o и обеспечивают взаимно перпендикулярные р и s поляризации.β (xy) = f ₄ [ϑ (x, y), Δ (x, y), γ _int (x, y, δ _i )]
f ₄ :

=
sin ² β (x, y) +

,
(The function f ₄ is implicit) where ρ (x, y) = tgϑ (x, y) exp {iΔ (x, y)}
the initial polarization of the illumination is δ _o and provide mutually perpendicular to the p and s polarizations.

3. 3.

n(x,y) = f₁[ ϑ(x,y), Δ (x,y), γ_инт(x,y, δ_i)]
f₁: n(x,y) = n₀sinβ(x,y)

1 +

tgβ(x,y)

,
(Функция f₁ в явном виде) где ρ (x,y) = tgϑ (x,y)exp{iΔ (x,y)}
n_o - показатель преломления внешней среды (для воздуха n_o = 1),
β - определяется функцией f₄.n (x, y) = f ₁ [ϑ (x, y), Δ (x, y), γ _int (x, y, δ _i )]
f ₁ : n (x, y) = n ₀ sinβ (x, y)

1 +

tgβ (x, y)

,
(The function f ₁ is explicit) where ρ (x, y) = tgϑ (x, y) exp {iΔ (x, y)}
n _o - refractive index of the external environment (for air n _o = 1),
β - is determined by the function f ₄ .

4. 4.

h(x,y) = f₂ _ϑ[ (x,y), Δ(x,y), Ф_инт(x,y, δ_i), γ_инт(x,y, δ_i)]
f₂: h(x,y) =

,
(Функция f₂ в явном виде) где l = 1 -

,
λ - длина волны засветки,
NA - числовая апертура оптической системы,
n - показатель преломления, определяется функцией f₁.h (x, y) = f ₂ _ϑ [(x, y), Δ (x, y), Ф _int (x, y, δ _i ), γ _int (x, y, δ _i )]
f ₂ : h (x, y) =

,
(Function f ₂ explicitly) where l = 1 -

,
λ is the wavelength of exposure
NA is the numerical aperture of the optical system,
n is the refractive index, determined by the function f ₁ .

Решение упомянутых уравнений представляют собой изображения физических величин h(x, y), n(x,y), α (x,y), β (x,y) с поочередным выводом на дисплей (не показан) осуществляется по специальной программе с помощью микро-ЭВМ 22. Сбор массивов для решения уравнений (1), (2), производится блоком программного управления 20 (БПУ) по командам с микро-ЭВМ. БПУ 20 осуществляет также переключение между поляризационным и интерференционным режимами измерения в оптической схеме наноскопа, построенного по принципу интерферометра с возможностью перекрытия одного из его оптических плеч (элементов 6, 7, 8) с помощью управляемой БПУ 20 шторки 5 с механизмом управления 18. Кроме того, БПУ управляет подачей модулирующего напряжения на соответствующий модулятор (в зависимости от режима), формирует сигналы сканирования по координатам x и y для ФЭУ 12, осуществляет управление схемой автофокусировки 19. При этом используемые режимы реализуются в следующей последовательности. The solutions to the above equations are images of physical quantities h (x, y), n (x, y), α (x, y), β (x, y) with alternate display (not shown) is carried out according to a special program using micro-computers 22. The collection of arrays for solving equations (1), (2) is performed by the program control unit 20 (BPU) by commands from the micro-computers. The control unit 20 also switches between polarization and interference measurement modes in the optical structure of the nanoscope, built on the principle of an interferometer with the possibility of overlapping one of its optical arms (elements 6, 7, 8) using a controlled shutter control unit 20 of the shutter 5 with a control mechanism 18. In addition , The control unit controls the supply of modulating voltage to the corresponding modulator (depending on the mode), generates scanning signals at the x and y coordinates for the PMT 12, and controls the autofocus circuit 19. In this case, used modes are implemented in the following sequence.

Сначала задают поляризационный режим измерения для определения азимута поляризации ϑ (x,y,x) и анизотропии Δ (x,y,z) из системы уравнений (1). Для этого шторка 5 перекрывает с помощью механизма управления 18 по команде с БПУ 20 элементы 6 и 7 интерферометра. Генератор модулирующих напряжений 17 подает (с выхода 1) периодическое модулирующее напряжение (см. фиг.5, эпюра А1) на электрооптический модулятор 3, использующий эффект управления двулучепреломлением электрическим полем, в котором производят изменение поляризации проходящего излучения лазера по закону модуляции. First, a polarization measurement mode is set to determine the polarization azimuth ϑ (x, y, x) and the anisotropy Δ (x, y, z) from the system of equations (1). To do this, the shutter 5 overlaps with the help of the control mechanism 18 on the command from the control unit 20 elements 6 and 7 of the interferometer. The modulating voltage generator 17 supplies (from output 1) a periodic modulating voltage (see FIG. 5, diagram A1) to an electro-optical modulator 3 using the effect of controlling birefringence in an electric field in which the polarization of transmitted laser radiation is changed according to the modulation law.

Конденсор 2 формирует размер пятна засветки в плоскости микрообъекта. The capacitor 2 forms the size of the spot light in the plane of the micro-object.

Далее засветку фокусируют микрообъективом 9 на поверхности исследуемого объекта, после отражения от которого, пройдя через светоделитель 4, излучение попадает на анализатор 10, преобразующий изменения поляризации в соответствующие по закону формулы (1) изменения комплексной амплитуды. Next, the illumination is focused by a micro-lens 9 on the surface of the studied object, after reflection from which, passing through the beam splitter 4, the radiation enters the analyzer 10, which converts the polarization changes into the corresponding changes in the complex amplitude according to the law of formula (1).

Гомаль (окуляр) 11 формирует размер пятна засветки в плоскости ФЭУ 12. Сканирующий ФЭУ 12 преобразует оптический сигнал в электрический для каждой точки поля засветки. Фотоприемник 13 осуществляет аналогичное преобразование для одной фиксированной точки поля. Сигнал со сканирующего ФЭУ 12 (фиг.5, эпюра Г) поступает на вход 1 фазометра 15. На вход 2 этого фазометра подается синфазный сигнал с выхода 2 генератора 17. Фазометр 15 измеряет разность фаз двух входных сигналов методом временного интервала (ВИ). The gomal (eyepiece) 11 forms the size of the exposure spot in the plane of the PMT 12. The scanning PMT 12 converts the optical signal into an electrical signal for each point of the exposure field. The photodetector 13 performs a similar conversion for one fixed point of the field. The signal from the scanning PMT 12 (Fig. 5, plot D) is fed to the input 1 of the phase meter 15. The input 2 of this phase meter is supplied with an in-phase signal from the output 2 of the generator 17. The phase meter 15 measures the phase difference of the two input signals by the time interval method (TI).

Применение синхронного фильтра 24 входного сигнала позволяет значительно повысить отношение сигнал/шум (тепловые шумы ФЭУ) на входе фазометра и достигнуть предела разрешения в 1,5-2 мрад. Механизм синхронной фильтрации основывается на эффекте запоминания фазы входного колебания в резонансном колебательном контуре при совпадении частоты входного сигнала с частотой резонанса контура. При этом процессы подключения (отключения) контура к источнику сигнала, динамического изменения добротности и сброса начальной фазы синхронизированы с опорным сигналом генератора модулятора (вход 2 фазометра). The use of a synchronous filter 24 of the input signal can significantly increase the signal-to-noise ratio (thermal PMT noise) at the input of the phase meter and achieve a resolution limit of 1.5–2 mrad. The synchronous filtering mechanism is based on the effect of remembering the phase of the input oscillation in the resonant oscillatory circuit when the frequency of the input signal coincides with the resonance frequency of the circuit. At the same time, the processes of connecting (disconnecting) the circuit to the signal source, dynamically changing the quality factor and resetting the initial phase are synchronized with the reference signal of the modulator generator (input 2 of the phase meter).

Дифференцирующая схема 23 совместно с формирователем импульсов 25 формируют из опорного сигнала (со входа 2) импульс начала ВИ, а усилитель-ограничитель 27, делитель частоты на 2 (28) и формирователь импульсов 29 - соответственно импульс окончания ВИ. Формирование ВИ происходит в блоке 26 (эпюра И), затем ВИ заполняется счетными импульсами (эпюра К) генератора 32 в схеме совпадения 30. Счетчик 31 преобразует выделенное число импульсов (эпюра Л) в двоичный код, пропорциональный количеству импульсов, а следовательно и измеряемой разности фаз. Этот код поступает с выхода блока 15 на БПУ (20). The differentiating circuit 23 together with the pulse shaper 25 form a pulse of the beginning of the VI from the reference signal (from input 2), and the amplifier-limiter 27, the frequency divider by 2 (28) and the pulse shaper 29, respectively, the pulse of the end of the VI. The VI is generated in block 26 (plot I), then the VI is filled with counting pulses (plot K) of the generator 32 in the matching circuit 30. The counter 31 converts the selected number of pulses (plot L) into a binary code proportional to the number of pulses, and therefore the measured difference phases. This code comes from the output of block 15 to the control unit (20).

Сигнал с выхода фотоприемника 13 (имеет аналогичную форму фиг.5, эпюра Г) поступает на вход 1 второго фазометра 14, который работает аналогично блоку 15 и реализует дифференциальный метод уменьшения уровня вибрационного шума. Вычитание кодов, формируемых блоками 14 и 15 реализуется программой БПУ и запоминается в оперативной памяти БПУ (не показана). Затем БПУ переводит ФЭУ 12 в следующую точку поля. После формирования массив Ф_эл(x,y) передают в микро-ЭВМ 22, которая строит на дисплее изображение функции Ф_эл(x, y) и вычисляет Δ (x,y).The signal from the output of the photodetector 13 (has a similar shape in FIG. 5, plot D) is fed to the input 1 of the second phase meter 14, which operates similarly to block 15 and implements the differential method of reducing the vibration noise level. Subtraction of the codes generated by blocks 14 and 15 is implemented by the control unit and stored in the control room memory (not shown). Then, the control unit transfers the PMT 12 to the next point in the field. After the formation of the array f _el (x, y) is transmitted to the microcomputer 22, which builds on the display the image of the function f _el (x, y) and calculates Δ (x, y).

Процедура автофокусирования осуществляется путем программно управляемого микроперемещения объектива 9 параллельно оптической оси для сканирования по оси z. Послойная фокусировка необходима для получения более объективной информации при значениях h(x,y) превышающих глубину резкости объектива 9. The autofocus procedure is carried out by software-controlled micro-movement of the lens 9 parallel to the optical axis for scanning along the z axis. Layered focusing is necessary to obtain more objective information at values h (x, y) exceeding the depth of field of the lens 9.

В интерференционном режиме измерения механизм управления 18 открывает шторку 5 и второе плечо интерферометра (элементы 6-8). Генератор модулирующих напряжений 17 подает (с выхода 3) периодическое модулирующее напряжение (см. фиг.5, эпюра А2) на модулятор 8, который осуществляет микроперемещения зеркала 7 и изменяет длину оптического пути отраженной световой волны. Одновременно на электрооптический модулятор 3 подается постоянное напряжение, вызывающее статическое изменение начальной поляризации излучения (фиг.5, эпюра А3) для решения системы уравнений (2). После отражения от зеркала 7 опорный пучок поступает через светоделитель 4 на общее плечо 10-11-12-13 интерферометра, где в плоскости фотоприемников 12 и 13 происходит интерференция пучков. Анализатор 10 выделяет состояние поляризации для решения системы уравнений (2). Измерение фаз и обработка кодов производятся аналогично поляризационному режиму, с той разницей что в результате формируется массив Ф_инт(x,y,z), а микро-ЭВМ строит на дисплее функции Ф_инт(x,y, δ_i) для различных значений начальной поляризации δ_i.In the interference measurement mode, the control mechanism 18 opens the shutter 5 and the second arm of the interferometer (elements 6-8). The modulating voltage generator 17 supplies (from output 3) a periodic modulating voltage (see FIG. 5, diagram A2) to a modulator 8, which performs micromotion of the mirror 7 and changes the optical path length of the reflected light wave. At the same time, a constant voltage is applied to the electro-optical modulator 3, causing a static change in the initial radiation polarization (Fig. 5, plot A3) to solve the system of equations (2). After reflection from the mirror 7, the reference beam enters through the beam splitter 4 to the common arm 10-11-12-13 of the interferometer, where the beams interfere in the plane of the photodetectors 12 and 13. The analyzer 10 extracts the polarization state to solve the system of equations (2). Phase measurement and code processing are carried out similarly to the polarization mode, with the difference that as a result an array of Ф _int (x, y, z) is formed, and the microcomputer builds on the display the function Ф _int (x, y, δ _i ) for various values of the initial polarization δ _i .

Измерение амплитуды производится в блоке 16 (фиг.1). Измеряемый сигнал подается на вход 1 блока, на вход 2 поступает опорный сигнал с генератора 17. Измерение производится методом синхронного детектирования. Дифференцирующая схема 33 выполняет функцию аналогичную 23. Схема 34 формирует импульсы управления усилителя 35 (эпюра М). На выходе усилителя 35 формируется функция абсолютного значения от входной функции Г (эпюра Н). Интегратор со сбросом 36 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 37 формируют код, передаваемый на БПУ. Дальнейшая обработка кода амплитуды осуществляется аналогично сбору данных кода фаз. Далее после решения уравнений (2) на дисплей поочередно выводятся изображения величин h(x,y), n(x,y), α (x,y), β (x,y). The amplitude measurement is performed in block 16 (figure 1). The measured signal is fed to the input 1 of the block, input 2 receives the reference signal from the generator 17. The measurement is performed by the method of synchronous detection. The differentiating circuit 33 performs a function similar to 23. The circuit 34 generates control pulses of the amplifier 35 (plot M). At the output of amplifier 35, a function of the absolute value of the input function G is formed (plot H). An integrator with a reset 36 and an analog-to-digital converter (ADC) 37 form a code transmitted to the control unit. Further processing of the amplitude code is carried out similarly to the collection of phase code data. Then, after solving equations (2), the images of the quantities h (x, y), n (x, y), α (x, y), β (x, y) are alternately displayed.

Claims

METHOD OF VISUALIZATION OF MICROCONTRAST OBJECTS AND OPTICAL POLARIZATION NANOSCOPE FOR ITS IMPLEMENTATION.

1. A method for visualizing micro-contrast objects, in which the field of a microobject is illuminated by monochromatic, polarized and coherent radiation, and the reflected radiation is electrically converted to the corresponding image points, characterized in that the field of the microobject is illuminated in the interference and polarization modes of the nanoscope, the reflected radiation is converted by scanning along x, y coordinates and focus position along z coordinate into a set of changes from spatial coordinates {x, y, z } phases "Ф" of electrical signals that are electrically processed by the method of time intervals, and the amplitude of the variable component γ - an electrical signal, which is processed by the method of synchronous detection, while in the polarization mode of the nanoscope, the azimuth of polarization j {x, y, z is determined from the measured values ) and anisotropy Δ (x, y, z) from the system of equations
Δ (x, y, z) = π-2Φ _e (x, y, z),

where _f _e _l (x, y, z) is the measured digital array of the phase function of the field of the micro-object;
γ _el (x, y, z) is the measured digital array of the amplitude function of the field of the micro-object,
in an interference mode measured value for the amplitude and γ phase _n F _and _at a fixed exposure polarizations d _i and each element of the illuminated field microentity interpret refractive index n, the physical height h, planar element angles α, b and defined by the formula

where f ₁ .... f ₄ are functions of the corresponding quantities,
F _and _N _t - the measured digital array of the amplitude function of the field of the micro-object,
γ _int - the measured digital array of the amplitude function of the field of the micro-object,
δ _i - fixed polarization of the input radiation of the illumination in accordance with the fixed values of the modulating voltage U ₂ ₀ , U ₂ ₁ , ... U ₂ _i .

2. An optical polarizing nanoscope containing a laser, a modulator, a beam splitter, a first micro-lens mounted on one optical axis, and a photodetector connected to a phase meter channel and a modulating voltage generator connected to a phase splitter on one side of the beam splitter with a modulator, characterized in that a condenser installed on the first optical axis between the laser and the electro-optical modulator is introduced into it, a shutter between the beam splitter and the first micro-lens and behind the mentioned micro-lens there is a mirror with a piezoelectric modulator, and on the second optical axis, on one side of the beam splitter, there is a second micro-lens mounted for movement along the second optical axis, and on the other, respectively, an analyzer, an eyepiece and a scanning photoelectronic multiplier with those located outside of its working area, but in the field of its exposure to a photodetector, as well as a second phase-identical channel identical to the first, amplitude channel, shutter control unit, AF unit of the second mic a lens, a program control unit connected via an exchange bus with a microcomputer, and the output of the photoelectronic multiplier is connected respectively through the amplitude and second phase meter channels to the first and second information inputs of the program control block, the third input of which is connected to the output of the first phase meter channel, the first, second, third and the fourth control outputs of the program control unit are connected respectively to the control input of the modulating voltage generator, to the control input of the block and the autofocus system, the input of the shutter control unit and the scan control input of the photoelectronic multiplier, the second output of the modulating voltage generator is connected to the second control inputs of the first, second phase meter channels and the second control input of the amplitude channel, its third output is to the control input of the piezoelectric modulator, while the first and the second phase-measuring channels include a first differential circuit, the control input of which is connected to the information input of the first synchronous the filter, and the output is through the first pulse-edge extraction circuit with the first pulse shaping input, and the output of the first synchronous filter through serially connected amplifier-limiter, a frequency divider by two, the second pulse-edge isolating circuit is connected to the second input of the pulse-forming circuit, the output of which the coincidence circuit is connected to the input of the output counter, and the coincidence circuit through the second input is connected to the pulse generator, and the amplitude channel includes a second differential circuit, the output of which is through the last They are connected to a third pulse edge extraction circuit, a second synchronous filter with an information input, and a low-pass filter connected to the input of the analog-to-digital converter output.