RU2527316C1 - Interference microscope - Google Patents
Interference microscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2527316C1 RU2527316C1 RU2013122399/28A RU2013122399A RU2527316C1 RU 2527316 C1 RU2527316 C1 RU 2527316C1 RU 2013122399/28 A RU2013122399/28 A RU 2013122399/28A RU 2013122399 A RU2013122399 A RU 2013122399A RU 2527316 C1 RU2527316 C1 RU 2527316C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- focal plane
- optical
- optical system
- beam splitter
- microscope
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к микроскопии и может быть использовано в биологии, медицине, машиностроении, оптическом приборостроении.The present invention relates to microscopy and can be used in biology, medicine, mechanical engineering, optical instrumentation.
Известны интерференционные микроскопы, см., например, М. Франсон «Фазово-контрастный и интерференционный микроскоп», М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960. Они предназначены для исследования фазовых объектов.Interference microscopes are known, see, for example, M. Franson “Phase-contrast and interference microscope”, Moscow: State Publishing House of Physics and Mathematics, 1960. They are designed to study phase objects.
Фазовые объекты, прозрачные для излучения видимого оптического диапазона, широко распространены как в промышленности, так и в биологии и медицине. К ним относятся различные полимерные пленки, кристаллы, оптические микродетали, оптоволоконные изделия и, наконец, биологические объекты - клетки и др. Эти объекты описываются трехмерным (3D) пространственным распределением показателя преломления, с которым связаны плотность, температура, концентрация и другие физические параметры объекта (Ч. Вест. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982).Phase objects transparent to visible optical radiation are widespread both in industry and in biology and medicine. These include various polymer films, crystals, optical micro-parts, fiber optic products and, finally, biological objects - cells, etc. These objects are described by three-dimensional (3D) spatial distribution of the refractive index, which is associated with the density, temperature, concentration and other physical parameters of the object (Ch. West. Holographic interferometry. M: Mir, 1982).
При изучении фазовых объектов встает задача их визуализации, так как они обычно прозрачны для зондирующего излучения. На сегодняшний день широко известны следующие методы:When studying phase objects, the task arises of visualizing them, since they are usually transparent to probe radiation. To date, the following methods are widely known:
- метод фазового контраста, называемый также методом Цернике, состоящий в том, что фазовый сдвиг в световом пучке, проходящем через фазовый объект, преобразуется в изменение яркости изображения (Bennett, A., Osterberg, H. Jupnik, H. and Richards, О., Phase Microscopy: Principles and Applications, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1951);- the phase contrast method, also called the Zernike method, consisting in the fact that the phase shift in the light beam passing through the phase object is converted into a change in the brightness of the image (Bennett, A., Osterberg, H. Jupnik, H. and Richards, O. Phase Microscopy: Principles and Applications, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1951);
- метод интерференционного контраста, состоящий в том, что световой пучок разделяется на два пучка, один из которых проходит сквозь фазовый объект, а второй минует его; интерференция обоих пучков позволяет обнаружить и измерить оптическую разность хода, внесенную фазовым объектом (Hariharan P., Optical Interferometery 2nd ed, Academic Press, 2003);- the method of interference contrast, consisting in the fact that the light beam is divided into two beams, one of which passes through the phase object, and the second passes it; the interference of the two beams can detect and measure the optical path difference included phase object (Hariharan P., Optical Interferometery 2 nd ed, Academic Press, 2003);
- метод дифференциально-интерференционного контраста (метод Номарского, DIC), состоящий в том, что поляризованный световой пучок разделяется на два ортогонально поляризованных когерентных пучка, которые проходят через фазовый объект оптическими путями различной длины, сводятся и интерферируют (Murphy, D., Differential interference contrast (DIC) microscopy and modulation contrast microscopy, in Fundamentals of Light Microscopy and Digital Imaging, Wiley-Liss, New York, 2001);- the method of differential interference contrast (Nomarsky method, DIC), which consists in the fact that the polarized light beam is divided into two orthogonally polarized coherent beams that pass through the phase object by optical paths of different lengths, are reduced and interfere (Murphy, D., Differential interference contrast (DIC) microscopy and modulation contrast microscopy, in Fundamentals of Light Microscopy and Digital Imaging, Wiley-Liss, New York, 2001);
- метод темного поля, состоящий в том, что для формирования изображения фазового объекта регистрируются только световые пучки, рассеянные этим объектом (Роскин Г.И., Микроскопическая техника, М.: Изд. «Советская наука», 1946);- the dark field method, which consists in the fact that to form an image of a phase object, only light beams scattered by this object are recorded (Roskin GI, Microscopic technology, M .: Publishing house "Soviet Science", 1946);
- метод поляризационного контраста, состоящий в том, что анизотропный фазовый объект помещается между двух поляризационных фильтров, плоскость поляризации одного из которых повернута на 90° относительно другого; через второй фильтр проходят только те световые пучки, плоскость поляризации которых оказалась повернутой фазовым объектом (Роскин Г.И., Микроскопическая техника, М.: Изд. «Советская наука», 1946).- polarization contrast method, consisting in the fact that an anisotropic phase object is placed between two polarization filters, the plane of polarization of one of which is rotated 90 ° relative to the other; only those light beams pass through the second filter, the plane of polarization of which turned out to be a rotated phase object (G. Roskin, Microscopic Technique, M.: Sovetskaya Nauka Publishing House, 1946).
В настоящее время при исследованиях требуется не только наблюдать и оценивать различные геометрические параметры (площадь, периметр), но и проводить измерения их локальных и интегральных характеристик.Currently, research requires not only to observe and evaluate various geometric parameters (area, perimeter), but also to measure their local and integral characteristics.
Количественные исследования характеристик фазовых объектов можно проводить с помощью интерференционных микроскопов, основанных на методе интерференционного контраста, так как только они позволяют измерять оптическую разность хода (ОРХ). Другие методы позволяют либо визуализировать, либо измерять производную по направлению от ОРХ (метод дифференциально-интерференционного контраста). Однако широкому распространению интерференционных микроскопов препятствовало отсутствие автоматизированных методов расшифровки интерферограмм, что тормозило внедрение данных микроскопов в практику лабораторных исследований и рутинных измерений.Quantitative studies of the characteristics of phase objects can be carried out using interference microscopes based on the method of interference contrast, since only they allow measuring the optical path difference (ORX). Other methods allow you to either visualize or measure the derivative in the direction from ORX (differential interference contrast method). However, the widespread use of interference microscopes was hampered by the lack of automated methods for decoding interferograms, which hindered the introduction of these microscopes in the practice of laboratory research and routine measurements.
Ранее интерференционные микроскопы строились по двулучевым схемам интерферометров Майкельсона, Маха-Цендера (А.Н. Захарьевский, А.Ф. Кузнецова. Интерференционные биологические микроскопы. Цитология, 1961).Previously, interference microscopes were constructed using two-beam schemes of Michelson and Mach-Zehnder interferometers (AN Zakharyevsky, AF Kuznetsova. Interference biological microscopes. Cytology, 1961).
1. Схема деления пучков Майкельсона используется в микроинтерферометре академика В.П. Линника (1933). Микроскоп Линника позволяет работать с микрообъективами больших числовых апертур. Для исследования фазовых микрообъектов они должны размещаться на зеркале, расположенном в предметном канале. В этом случае излучение дважды проходит сквозь них (схема на отражение) (В.П. Линник. Прибор для интерференционного исследования отражающих объектов под микроскопом (“микроинтерферометр”), ДАН СССР, 1933). Для больших или плотных объектов двойной проход излучения приводит к сильной рефракции на краях объекта и невозможности реконструкции фазы в данных местах. Необходимость использования предметного стекла с зеркальным напылением также является недостатком данной схемы. Впервые автоматизированный вариант интерференционного микроскопа Линника МИИ-4 был разработан профессором В.П. Тычинским (1989) и назван «Эйрискан» (В.П. Тычинский. Компьютерный фазовый микроскоп. М.: Знание, 1989).1. The Michelson beam splitting scheme is used in the academician V.P. microinterferometer Linnik (1933). Linnik's microscope allows you to work with micro-lenses of large numerical apertures. To study phase microobjects, they should be placed on a mirror located in the subject channel. In this case, the radiation passes through them twice (reflection scheme) (VP Linnik. A device for interference research of reflecting objects under a microscope (“microinterferometer”), DAN USSR, 1933). For large or dense objects, a double pass of radiation leads to strong refraction at the edges of the object and the inability to reconstruct the phase in these places. The need to use a glass slide with mirror coating is also a disadvantage of this scheme. For the first time, an automated version of the Linnik MII-4 interference microscope was developed by Professor V.P. Tychinsky (1989) and named “Airiskan” (V. P. Tychinsky. Computer phase microscope. M: Knowledge, 1989).
2. Схема деления пучков Маха-Цендера используется в микроскопе Хорна (Horn, 1950). В своем составе он имеет две идентичные ветви, в которых располагаются исследуемый препарат и препарат сравнения. Излучение проходит через исследуемый объект один раз (схема на просвет) (G.A. Dunn. Transmitted-light interference microscopy: a technique bom before its time. Proceedings of the Royal Microscopical Society, 1998). Известен также автоматизированный вариант микроскопа Хорна (Zicha и Dunn, 1995) (G.A. Dunn. Transmitted-light interference microscopy: a technique bom before its time. Proceedings of the Royal Microscopical Society, 1998). В этом микроскопе используется метод фазовых шагов (К. Creath. Phase-shifting speckle interferometry. Appl.Opt. Vol.24, №18, 1985). Дискретный фазовый сдвиг обеспечивается поперечным перемещением компенсационного клина, управляемого от шагового двигателя. Данный метод получил название DRIMAPS (Digitally Recorded Interference Microscopy with Automatic Phase Shifting - цифровая интерференционная микроскопия с автоматическим фазовым сдвигом). Схема микроскопа Хорна сложна в эксплуатации и настройке, так как требует наличия двух идентичных каналов с одинаково приготовленными препаратами: исследуемого препарата и препарата сравнения.2. The Mach-Zehnder beam splitting scheme is used in a Horn microscope (Horn, 1950). In its composition, it has two identical branches in which the studied drug and the comparison drug are located. Radiation passes through the studied object once (light transmission scheme) (G.A. Dunn. Transmitted-light interference microscopy: a technique bom before its time. Proceedings of the Royal Microscopical Society, 1998). An automated version of the Horn microscope is also known (Zicha and Dunn, 1995) (G.A. Dunn. Transmitted-light interference microscopy: a technique bom before its time. Proceedings of the Royal Microscopical Society, 1998). This microscope uses the phase step method (K. Creath. Phase-shifting speckle interferometry. Appl. Opt. Vol.24, No. 18, 1985). The discrete phase shift is provided by the transverse movement of the compensation wedge controlled from the stepper motor. This method is called DRIMAPS (Digitally Recorded Interference Microscopy with Automatic Phase Shifting - Digital Interference Microscopy with Automatic Phase Shift). The design of the Horn microscope is difficult to operate and configure, since it requires two identical channels with the same preparations: the study drug and the comparison drug.
Основной недостаток двухлучевых схем интерференционных микроскопов состоит в необходимости использования когерентного излучения. Это ведет к большим шумам в интерферограммах и, как следствие, к повышению погрешности реконструкции фазы из интерферограмм. Разнесение в пространстве объектной и опорной ветвей ведет также к тому, что идущие в них лучи по-разному реагируют на вибрацию и температурные колебания, что сильно ухудшает виброустойчивость интерференционного микроскопа.The main disadvantage of two-beam interference microscope schemes is the need to use coherent radiation. This leads to large noise in the interferograms and, as a result, to an increase in the error in the reconstruction of the phase from interferograms. The separation in space of the object and supporting branches also leads to the fact that the rays going into them react differently to vibration and temperature fluctuations, which greatly impairs the vibration resistance of the interference microscope.
Современная тенденция в интерференционной микроскопии - это создание интерференционной приставки (модуля) к коммерческому микроскопу, в котором используется свет от обычной галогеновой лампы или светодиода с малой длиной когерентности. Это позволяет существенно уменьшить характерные для когерентного излучения шумы (спекл-шум и т.п.). Применение источников излучения с малой длиной когерентности ведет к необходимости использования схем интерферометров с совмещенными объектной и опорной ветвями. Такие интерферометры обычно скомпенсированы на белый свет, т.е. оптическая разность хода в центре поля зрения равна нулю.The current trend in interference microscopy is the creation of an interference attachment (module) to a commercial microscope that uses light from a conventional halogen lamp or LED with a short coherence length. This allows one to significantly reduce the noise characteristic of coherent radiation (speckle noise, etc.). The use of radiation sources with a short coherence length leads to the necessity of using interferometer circuits with combined object and reference branches. Such interferometers are usually compensated for by white light, i.e. the optical path difference in the center of the field of view is zero.
Известен интерференционный микроскоп, описанный в работе В. Bhaduri et.al. “Diffraction phase microscopy with white light”. Optics Letters, Vol.37, No.6, PP.1094-1096, 2012. Этот интерференционный микроскоп содержит коммерческий инвертированный микроскоп светлого поля с источником света в виде галогеновой лампы для формирования увеличенного изображения объекта в выходной плоскости этого микроскопа, 4f оптическую систему из двух фурье-объективов, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью микроскопа светлого поля, а в задней фокальной плоскости 4f оптической системы располагается регистратор выходного изображения. В передней фокальной плоскости 4f оптической системы размещена дифракционная решетка, которая производит множество дифракционных порядков, содержащих всю информацию об объекте. Внутри 4f оптической системы в общей фокальной плоскости (Фурье-плоскости) располагается амплитудный пространственный фильтр, состоящий из точечной диафрагмы, совмещенной с оптической осью (нулевым порядком дифракции), формирующий опорный пучок, и прямоугольной диафрагмы, полностью пропускающей излучение в первом порядке дифракции. В задней фокальной плоскости 4f оптической системы в плоскости регистратора сходятся два плоских пучка под небольшим углом и формируют интерферограмму объекта в полосах конечной ширины. Данная схема, по сути, представляет собой двухлучевой интерферометр Маха-Цендера, в котором опорный пучок формируется из излучения, прошедшего через точечную диафрагму, а второй объектный - из излучения в 1-ом порядке дифракции. Недостаток данного интерференционного микроскопа заключается в том, что объектный и опорный пучки формируются на входе в 4f систему и поэтому они проходят разные пути в свободном воздушном пространстве. Следовательно, они по-разному будут подвержены флуктуациям воздуха, что ведет к нестабильности интерференционной картины. Другой недостаток состоит в том, что для расшифровки интерференционной картины можно применять только алгоритм Фурье. Более точный метод - метод фазового сдвига - требует изменения оптической длины пути одного из плеч интерферометра, что трудно сделать в данной схеме.Known interference microscope described in the work of B. Bhaduri et.al. “Diffraction phase microscopy with white light.” Optics Letters, Vol.37, No.6, PP.1094-1096, 2012. This interference microscope contains a commercial inverted light field microscope with a light source in the form of a halogen lamp to form an enlarged image of the object in the output plane of this microscope, 4f optical system from two Fourier lenses, the front focal plane of which coincides with the rear focal plane of the bright field microscope, and the output image recorder is located in the rear focal plane 4f of the optical system. A diffraction grating is located in the front focal plane 4f of the optical system, which produces many diffraction orders containing all information about the object. Inside the 4f optical system in the common focal plane (Fourier plane) there is an amplitude spatial filter consisting of a point diaphragm combined with an optical axis (zero diffraction order) forming a reference beam and a rectangular diaphragm that completely transmits radiation in the first diffraction order. In the rear focal plane 4f of the optical system, two plane beams converge at a small angle in the plane of the recorder and form an object interferogram in bands of finite width. This scheme, in fact, is a Mach-Zehnder double-beam interferometer in which the reference beam is formed from radiation transmitted through a point diaphragm, and the second object beam from radiation in the first diffraction order. The disadvantage of this interference microscope is that the object and reference beams are formed at the entrance to the 4f system and therefore they travel different paths in free air space. Therefore, they will be subject to air fluctuations in different ways, which leads to instability of the interference pattern. Another drawback is that only the Fourier algorithm can be used to decipher the interference picture. A more accurate method - the phase shift method - requires changing the optical path length of one of the arms of the interferometer, which is difficult to do in this scheme.
Известен другой интерференционный микроскоп, описанный в работе Z. Wang et al. “Spatial light interference microscopy (SLIM)”, Optics Express, Vol.19, No.2, PP.1016-1028, 2011. Он, как и предыдущий интерференционный микроскоп, состоит из коммерческого инвертированного микроскопа, но с фазовым контрастом (Цернике) для формирования увеличенного изображения объекта в выходной плоскости этого микроскопа. Далее к микроскопу добавлен оптический модуль в виде 4f оптической системы из двух фурье-объективов, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью микроскопа светлого поля, а в задней фокальной плоскости 4f оптической системы располагается регистратор выходного изображения. Внутри 4f оптической системы в общей фокальной плоскости (Фурье-плоскости) располагается не амплитудный, а фазовый пространственный фильтр, работающий на отражение. Фильтр выполнен в виде чисто фазового пространственно-временного модулятора света, управляемого от компьютера, который сдвигает фазу нерассеянного излучения, сфокусированного вблизи оптической оси, т.е. он работает как переменный фазовый фильтр Цернике. При использовании кольцевой диафрагмы в конденсоре фазовый фильтр также имеет вид кольца. Отраженный от этой части модулятора свет формирует опорный пучок. Свет, который претерпел дифракцию на объекте, отражается от остальной части модулятора и образует объектный пучок. В результате, в задней фокальной плоскости 4f оптической системы, в плоскости регистратора, сходятся два плоских пучка под нулевым углом и формируют интерферограмму, аналогичную той, которая получается при настройке интерферометра на бесконечно широкую (нулевую) полосу. Так как один из пучков света сформирован из излучения, рассеянного на объекте, то такую интерферограмму можно рассматривать как голограмму Габора. Для расшифровки интерферограммы используется четыре кадра со сдвигом фазы на π/2. Основной недостаток данного интерференционного микроскопа заключается в использовании дорогостоящего фазового пространственно-временного цифрового модулятора света. Другой недостаток связан с тем, что для получения количественной информации о фазовом объекте используется более сложная математическая процедура, чем в обычном методе фазового сдвига. В частности требуется дополнительная регистрация амплитудного изображения, сформированного из рассеянного излучения, нормированного на амплитуду нерассеянного излучения.Another interference microscope is known as described by Z. Wang et al. “Spatial light interference microscopy (SLIM)”, Optics Express, Vol.19, No.2, PP.1016-1028, 2011. It, like the previous interference microscope, consists of a commercial inverted microscope, but with phase contrast (Zernike) to form an enlarged image of the object in the output plane of this microscope. Next, an optical module in the form of a 4f optical system of two Fourier lenses is added to the microscope, the front focal plane of which coincides with the rear focal plane of the bright field microscope, and the output image recorder is located in the rear focal plane 4f of the optical system. Inside the 4f optical system in the common focal plane (Fourier plane) is not an amplitude, but a phase spatial filter that operates on reflection. The filter is made in the form of a purely phase spatio-temporal light modulator controlled by a computer, which shifts the phase of the unscattered radiation focused near the optical axis, i.e. It works as a Zernike variable phase filter. When using an annular diaphragm in a condenser, the phase filter also has the form of a ring. The light reflected from this part of the modulator forms a reference beam. The light that has undergone diffraction on the object is reflected from the rest of the modulator and forms an object beam. As a result, in the rear focal plane 4f of the optical system, in the plane of the recorder, two plane beams converge at zero angle and form an interferogram similar to that obtained when the interferometer is tuned to an infinitely wide (zero) band. Since one of the light beams is formed from radiation scattered on the object, such an interferogram can be considered as a Gabor hologram. To decrypt the interferogram, four frames with a phase shift of π / 2 are used. The main disadvantage of this interference microscope is the use of an expensive phase space-time digital light modulator. Another drawback is that a more complex mathematical procedure is used to obtain quantitative information about a phase object than in the conventional phase shift method. In particular, additional recording of the amplitude image formed from the scattered radiation, normalized to the amplitude of the unscattered radiation, is required.
Известен интерференционный микроскоп, описанный в работе N.T. Shaked “Quantitative phase microscopy of biological samples using a portable interferometer”, Optics Letters, Vol.37, No.11, PP.2016-2018, 2012, наиболее близкий к предлагаемому интерференционному микроскопу.Known interference microscope described in the work of N.T. Shaked “Quantitative phase microscopy of biological samples using a portable interferometer”, Optics Letters, Vol.37, No.11, PP.2016-2018, 2012, closest to the proposed interference microscope.
Этот интерференционный микроскоп содержит микроскоп светлого поля для формирования увеличенного изображения объекта в задней фокальной плоскости микроскопа, 4f оптическую систему из двух фурье-объективов, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью микроскопа светлого поля, а в задней фокальной плоскости 4f оптической системы располагается регистратор выходного изображения, внутри 4f оптической системы до общей фокальной плоскости располагается светоделитель, формирующий два пространственно разделенных световых пучка, каждый из которых сходится в общей фокальной плоскости 4f оптической системы, где размещены два плоских зеркала перпендикулярно оптической оси каждого из пучков, и которые отражают падающее на них излучение в обратном направлении, а перед одним из зеркал располагается точечная диафрагма, совмещенная с оптической осью, которая пропускает только нерассеянное излучение и формирует опорный пучок.This interference microscope contains a bright field microscope to form an enlarged image of the object in the rear focal plane of the microscope, 4f an optical system of two Fourier lenses, the front focal plane of which coincides with the rear focal plane of the light field microscope, and a recorder is located in the rear focal plane 4f of the optical system of the output image, inside the 4f optical system to the common focal plane there is a beam splitter forming two spatially separated light beams, each of which converges in the common focal plane 4f of the optical system, where two flat mirrors are placed perpendicular to the optical axis of each of the beams, and which reflect radiation incident on them in the opposite direction, and a point aperture is located in front of one of the mirrors, combined with optical axis, which transmits only non-scattered radiation and forms a reference beam.
Недостатком данного микроскопа является то, что светоделительная грань светоделителя расположена под углом 45 градусов к оптической оси микроскопа, т.к. светоделитель выполнен в виде кубика (склейки из двух призм с углами 90, 45, 45 градусов). В результате светоделитель формирует два пространственно разделенных световых пучка, оптические оси которых расположены под 90 градусов. Поэтому и два плоских зеркала, отражающие падающее на них излучение в обратном направлении, расположены под углом 90 градусов друг к другу. Установить эти зеркала точно на одном расстоянии от боковых граней светоделительного кубика невозможно, это расстояние всегда будет разное, поэтому и всегда будет существовать оптическая разность хода между пучками. Для излучения с малой длиной когерентности порядка 27 мкм, которое используется в данном микроскопе, оптическую разность хода необходимо уменьшать до величины около 1 мкм, намного меньшей, чем длина когерентности, чтобы добиться хорошего контраста полос. Это достаточно трудная задача тонкой юстировки интерферометра.The disadvantage of this microscope is that the beam splitter face of the beam splitter is located at an angle of 45 degrees to the optical axis of the microscope, because the beam splitter is made in the form of a cube (gluing from two prisms with angles of 90, 45, 45 degrees). As a result, the beam splitter forms two spatially separated light beams, the optical axes of which are located at 90 degrees. Therefore, two flat mirrors, reflecting the incident radiation on them in the opposite direction, are located at an angle of 90 degrees to each other. It is impossible to install these mirrors exactly at the same distance from the side faces of the beam splitting cube, this distance will always be different, and therefore the optical path difference between the beams will always exist. For radiation with a short coherence length of the order of 27 μm, which is used in this microscope, the optical path difference must be reduced to a value of about 1 μm, much smaller than the coherence length, in order to achieve good band contrast. This is a rather difficult task of fine-tuning the interferometer.
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в снижении требований к юстировке интерферометра, повышению его стабильности и, в конечном счете, к повышению точности измерений.The technical problem solved by the present invention is to reduce the requirements for alignment of the interferometer, increase its stability and, ultimately, to improve the accuracy of measurements.
Решение поставленной задачи достигается посредством того, что в интерференционном микроскопе, содержащем микроскоп светлого поля для формирования увеличенного изображения объекта в задней фокальной плоскости этого микроскопа, 4f оптическую систему из двух фурье-объективов, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью микроскопа светлого поля, а в задней фокальной плоскости 4f оптической системы располагается регистратор выходного изображения, внутри 4f оптической системы до общей фокальной плоскости располагается светоделитель, формирующий два пространственно разделенных световых пучка, каждый из которых сходится в общей фокальной плоскости 4f оптической системы, где размещены два плоских зеркала, перпендикулярно оптической оси каждого из пучков, которые отражают падающее на них излучение в обратном направлении, а перед одним из зеркал располагается точечная диафрагма, совмещенная с оптической осью, которая пропускает только нерассеянное излучение и формирует опорный пучок, светоделитель формирует два параллельных пространственно разделенных световых пучка с нулевой разностью хода, а отражающие поверхности плоских зеркал лежат в одной плоскости.The solution of this problem is achieved by the fact that in an interference microscope containing a bright field microscope to form an enlarged image of the object in the rear focal plane of this microscope, 4f an optical system of two Fourier lenses, the front focal plane of which coincides with the rear focal plane of the light field microscope, and in the rear focal plane 4f of the optical system there is an output image recorder, inside 4f of the optical system to the common focal plane p there is a beam splitter forming two spatially separated light beams, each of which converges in the common focal plane 4f of the optical system, where two flat mirrors are placed, perpendicular to the optical axis of each of the beams, which reflect radiation incident on them in the opposite direction, and in front of one of the mirrors a point diaphragm is located, combined with the optical axis, which transmits only unscattered radiation and forms a reference beam, the beam splitter forms two parallel spatial for separating a light beam with a zero path difference, and the reflective surfaces of flat mirrors lie in the same plane.
Снижение требований к юстировке интерферометра достигается тем, что изготовление светоделителя выполняется с высокой степенью точности (Ю.Г. Кожевников. «Оптические призмы», М.: Машиностроение, 1984).Reducing the requirements for alignment of the interferometer is achieved by the fact that the manufacture of the beam splitter is performed with a high degree of accuracy (Yu.G. Kozhevnikov. "Optical prisms", M .: Mashinostroenie, 1984).
Выравнивание отражающих поверхностей зеркал в одной плоскости достигается тем, что их установка производится на общую пластину.The alignment of the reflecting surfaces of the mirrors in one plane is achieved by the fact that they are installed on a common plate.
Повышение стабильности интерферометра достигается тем, что светоделитель и зеркала жестко закрепляются на общем основании, в результате чего вибрация оказывает одинаковое влияние на узлы интерферометра, что не отражается на результатах измерений.Improving the stability of the interferometer is achieved by the fact that the beam splitter and mirrors are rigidly fixed on a common base, as a result of which the vibration has the same effect on the nodes of the interferometer, which does not affect the measurement results.
Совокупность вышеупомянутых признаков существенно упрощает юстировку интерферометра, повышает его стабильность и точность измерений.The combination of the above features significantly simplifies the alignment of the interferometer, increases its stability and accuracy of measurements.
Возможен 1-ый вариант интерференционного микроскопа, отличающийся тем, что светоделитель выполнен в виде призмы Кестерса.The first variant of the interference microscope is possible, characterized in that the beam splitter is made in the form of a Kester prism.
Возможен 2-ой вариант интерференционного микроскопа, отличающийся тем, что светоделитель выполнен в виде склейки из двух призм Дове.A second variant of the interference microscope is possible, characterized in that the beam splitter is made in the form of gluing from two Dove prisms.
Возможен 3-ий вариант интерференционного микроскопа, отличающийся тем, что светоделитель выполнен в виде кубика, светоделительная грань которого параллельна оптической оси падающего на него пучка.A third variant of the interference microscope is possible, characterized in that the beam splitter is made in the form of a cube, the beam splitting face of which is parallel to the optical axis of the incident beam.
Далее предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами.Further, the invention is illustrated by specific examples of its implementation and the accompanying drawings.
Фиг.1 иллюстрирует принципиальную схему, состоящую из двух частей: коммерческого микроскопа светлого поля I и интерференционной приставки II. Микроскоп I состоит из источника частично-когерентного света 1, например светодиода; собирающего оптического элемента 2, например коллекторной линзы; элемента, ограничивающего поперечное сечение световых пучков 3, например полевой диафрагмы; элемента, формирующего точечный источник света 4, например точечной диафрагмы; оптического элемента 5, формирующего параллельный пучок излучения, например коллимационной линзы; фазового объекта 6; оптического элемента 7, например микрообъектива; светоотражательного элемента 8, например плоского зеркала; оптического элемента 9, например окулярной линзы, формирующего увеличенное изображение в задней фокальной плоскости 10 оптического элемента 9. Интерференционная приставка II включает 4f оптическую систему из оптических элементов 11 и 12, например фурье-объективы, передняя фокальная плоскость которой совмещена с задней фокальной плоскостью 10 микроскопа, а в задней фокальной плоскости 13 которой установлен регистратор 14 изображения, например ПЗС-матрица; светоделитель 15, например призму Кестерса, бипризму Дове или кубик, расположенный до общей фокальной плоскости 4f системы; два светоотражательных элемента 16 и 17, например два плоских зеркала, отражательные поверхности которых устанавливаются в общей фокальной плоскости 4f оптической системы при помощи опорной пластины 18; фильтр пространственных частот 19, например точечную диафрагму, который закрепляется на светоотражательном элементе 17; подвижный элемент 20, например пьезодвигатель, на котором закреплен светоотражательный элемент 17.Figure 1 illustrates a circuit diagram consisting of two parts: a commercial light field microscope I and an interference prefix II. Microscope I consists of a partially coherent light source 1, for example, an LED; a collecting optical element 2, for example a collector lens; an element restricting the cross section of the light beams 3, for example a field diaphragm; an element forming a point light source 4, for example a point diaphragm; an optical element 5 forming a parallel beam of radiation, for example a collimation lens; phase object 6; an optical element 7, for example a micro lens; reflective element 8, for example a flat mirror; an optical element 9, for example, an ocular lens, forming an enlarged image in the rear focal plane 10 of the optical element 9. The interference device II includes a 4f optical system of optical elements 11 and 12, for example, Fourier lenses, the front focal plane of which is aligned with the rear focal plane 10 of the microscope and in the rear focal plane 13 of which an image recorder 14 is installed, for example, a CCD; a
Фиг.2 иллюстрирует ход лучей в призме Кестерса и смещение одного из светоотражательных элементов по одному из вариантов осуществления данного изобретения.Figure 2 illustrates the path of the rays in the Kester prism and the displacement of one of the reflective elements according to one of the embodiments of the present invention.
Другой вариант осуществления изобретения основан на использовании призмы Дове, а именно: в качестве светоделителя используется склейка из двух призм Дове. Фиг.3 иллюстрирует ход лучей в призме Дове и смещение одного из светоотражательных элементов.Another embodiment of the invention is based on the use of a Dove prism, namely: gluing of two Dove prisms is used as a beam splitter. Figure 3 illustrates the path of rays in the Dove prism and the displacement of one of the retro-reflective elements.
Еще один возможный вариант осуществления изобретения основан на том, что светоделитель выполнен в виде кубика, светоделительная грань которого параллельна оптической оси падающего на него светового пучка. Фиг.4 иллюстрирует ход лучей в светоделительном кубике и смещение одного из светоотражательных элементов.Another possible embodiment of the invention is based on the fact that the beam splitter is made in the form of a cube, the beam splitting face of which is parallel to the optical axis of the incident light beam. Figure 4 illustrates the path of the rays in a beam splitter cube and the displacement of one of the reflective elements.
Фиг.5 отображает конструктивное исполнение опорной пластины светоотражательных элементов 16 и 17.Figure 5 shows the design of the base plate of the retro-
На Фиг.1 формируется параллельный пучок частично-когерентного излучения источника 1 при помощи оптических элементов 2 и 5, между которыми расположены полевая диафрагма 3, ограничивающая поперечное сечение светового пучка, и точечная диафрагма 4, выполняющая роль точечного источника.In Fig. 1, a parallel beam of partially-coherent radiation from a source 1 is formed using optical elements 2 and 5, between which there is a field diaphragm 3, which limits the cross section of the light beam, and a point diaphragm 4, acting as a point source.
Параллельный пучок света проходит через фазовый объект 6, который расположен в передней фокальной плоскости оптического элемента 7, задняя фокальная плоскость которого совмещена с передней фокальной плоскостью оптического элемента 9. В задней фокальной плоскости 10 оптического элемента 9 строится увеличенное изображение фазового объекта 6. Светоотражательный элемент 8 является вспомогательным для уменьшения конструкции микроскопа.A parallel beam of light passes through a phase object 6, which is located in the front focal plane of the optical element 7, the rear focal plane of which is aligned with the front focal plane of the optical element 9. An enlarged image of the phase object 6 is constructed in the rear focal plane 10 of the optical element 9. Reflective element 8 is auxiliary to reduce the construction of the microscope.
Задняя фокальная плоскость микроскопа совмещена с передней фокальной плоскостью 4f оптической системы. В ней излучение проходит через оптический элемент 11, затем через светоделитель 15, за которым в общей фокальной плоскости формируется два одинаковых по интенсивности спектра пространственных частот.The back focal plane of the microscope is aligned with the front focal plane 4f of the optical system. In it, the radiation passes through the optical element 11, then through the
В общей фокальной плоскости 4f системы установлены два светоотражательных элемента 16 и 17, лежащих в одной плоскости. Последнее условие выполняется при помощи опорной пластины 18, на которой установлены зеркала. Светоотражательный элемент 17 установлен на подвижном элементе 20, который смещает светоотражательный элемент на известную величину Δ, что позволяет реализовать метод интерферометрии фазовых шагов. Излучение беспрепятственно отражается от светоотражательного элемента 16 и распространяется в обратном направлении. Таким образом, формируется предметный пучок. Перед светоотражательным элементом 17 установлен фильтр пространственных частот, пропускающий только нерассеянное излучение, которое также, отражаясь, распространяется в обратном направлении. Таким образом, формируется опорный пучок. В обратном ходе отраженные лучи совмещаются в пространстве светоделителем и проходят через оптический элемент 12, который строит в задней фокальной плоскости 13 интерференционное изображение фазового объекта 6, фиксируемое регистратором 14.In the common focal plane 4f of the system, two
Метод фазовых шагов реализуется созданием разности хода интерферирующих опорного и предметного пучков, путем смещения светоотражательного элемента 17, установленного на подвижный элемент 20, на известную величину Δ вдоль оптической оси системы.The method of phase steps is implemented by creating a difference in the path of the interfering reference and object beams by shifting the
Фиг.2 более детально показывает ход лучей в призме Кестерса и схему смещения светоотражательного элемента 17 на величину Δ при помощи подвижного элемента 20.Figure 2 shows in more detail the course of the rays in the Kester prism and the offset circuit of the retro-
Фиг.3 показывает ход лучей в светоделителе, выполненном в виде склейки двух призм Дове. Схема реализации сдвига та же.Figure 3 shows the path of the rays in the beam splitter, made in the form of gluing two prisms Dove. The shift implementation scheme is the same.
Фиг.4 показывает ход лучей в третьем варианте исполнения светоделительной призмы - кубике.Figure 4 shows the path of the rays in the third embodiment of the beam splitting prism - cube.
На Фиг.5 изображена плоская опорная пластина 18, реализующая установку светоотражательных элементов 16 и 17 при сборке в одной плоскости, что обеспечивает работу интерферометра в режиме полос бесконечной ширины.Figure 5 shows a
Устройство работает в два этапа следующим образом.The device operates in two stages as follows.
Первый этап - это калибровка интерференционного микроскопа. Оптическая система неидеальна, вследствие чего возникают различного рода аберрации, искажающие изображение исследуемого объекта. Для устранения подобных негативных эффектов на первом этапе фиксируется изображение, формируемое оптической системой, без исследуемого фазового объекта.The first step is to calibrate the interference microscope. The optical system is imperfect, as a result of which various kinds of aberrations arise, distorting the image of the object under study. To eliminate such negative effects, at the first stage, the image formed by the optical system is recorded without the investigated phase object.
Второй этап - непосредственно процесс измерений. Исследуемый фазовый объект 6 помещается в передней фокальной плоскости микроскопа. В светоделительной системе оптический путь опорного светового пучка изменяется таким образом, чтобы осуществить фазовый сдвиг π/2 (Δ=λ/4) относительно предметного пучка. Последовательное внесение известной разности хода Δ и регистрация интерференционного изображения дает пять снимков, перекрывающих полный период, соответствующий центральной длине волны светодиода. Снимки корректируются при помощи изображения, полученного на этапе калибровки, а затем выполняется реконструкция исходного изображения фазового объекта.The second stage is the measurement process itself. The investigated phase object 6 is placed in the front focal plane of the microscope. In a beam splitting system, the optical path of the reference light beam is changed so as to realize a phase shift π / 2 (Δ = λ / 4) relative to the object beam. The sequential introduction of the known path difference Δ and registration of the interference image gives five images that cover the full period corresponding to the central wavelength of the LED. Pictures are corrected using the image obtained at the calibration stage, and then reconstruction of the initial image of the phase object is performed.
Помимо вышеуказанных вариантов осуществления изобретения возможны варианты осуществления, когда вместо двух плоских зеркал используется одно плоское зеркало большего размера. Возможен также вариант, когда плоские зеркала отражающими гранями опираются на одну базовую плоскость. Кроме того, для осущетсвления изобретения возможно использование схемы, когда одно из плоских зеркал закреплено на пьезоэлементе для реализации метода фазового сдвига.In addition to the above embodiments, embodiments are possible where, instead of two flat mirrors, one larger flat mirror is used. It is also possible that flat mirrors are supported by reflecting faces on one base plane. In addition, to implement the invention, it is possible to use a circuit when one of the planar mirrors is mounted on a piezoelectric element for implementing the phase shift method.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает решение указанных выше технических задач за счет следующих существенных признаков используемого устройства: светоделитель формирует два параллельных пространственно разделенных световых пучка с нулевой разностью хода, а рабочие поверхности светоотражательных элементов лежат в одной плоскости, что упрощает юстировку; установка светоделителя и светоотражательных элементов исключает влияние вибраций.Thus, the claimed invention provides a solution to the above technical problems due to the following essential features of the device used: the beam splitter generates two parallel spatially separated light beams with zero travel difference, and the working surfaces of the reflective elements lie in the same plane, which simplifies alignment; the installation of a beam splitter and reflective elements eliminates the influence of vibrations.
Хотя заявляемое в качестве изобретения устройство описано на примере ряда его конкретных вариантов осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного устройства, не выходящие за границы идеи и объема правовой охраны изобретения, определяемые прилагаемой формулой.Although the device claimed as an invention is described by the example of a number of its specific embodiments, it will be clear to those skilled in the art that numerous modifications of this device will be possible without going beyond the idea and scope of the legal protection of the invention as defined by the attached claims.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013122399/28A RU2527316C1 (en) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | Interference microscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013122399/28A RU2527316C1 (en) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | Interference microscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2527316C1 true RU2527316C1 (en) | 2014-08-27 |
Family
ID=51456454
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013122399/28A RU2527316C1 (en) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | Interference microscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2527316C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626061C1 (en) * | 2016-10-13 | 2017-07-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Method and device for registering images of phase microobjects in arbitrary narrow spectral intervals |
RU2678708C1 (en) * | 2017-11-23 | 2019-01-31 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Arms length difference determining method in the double-beam fiber-optical interferometer |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU932219A1 (en) * | 1980-03-21 | 1982-05-30 | Киевский Ордена Ленина Государственный Университет Им. Т.Г.Шевченко | Two-beam interferometer |
US5122648A (en) * | 1990-06-01 | 1992-06-16 | Wyko Corporation | Apparatus and method for automatically focusing an interference microscope |
US6721094B1 (en) * | 2001-03-05 | 2004-04-13 | Sandia Corporation | Long working distance interference microscope |
-
2013
- 2013-05-15 RU RU2013122399/28A patent/RU2527316C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU932219A1 (en) * | 1980-03-21 | 1982-05-30 | Киевский Ордена Ленина Государственный Университет Им. Т.Г.Шевченко | Two-beam interferometer |
US5122648A (en) * | 1990-06-01 | 1992-06-16 | Wyko Corporation | Apparatus and method for automatically focusing an interference microscope |
US6721094B1 (en) * | 2001-03-05 | 2004-04-13 | Sandia Corporation | Long working distance interference microscope |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
N.T. Shaked "Quantitative phase microscopy of biological samples using a portable interferometer" Optics Letters, Vol.37, No.11, pp.2016-2018, 2012. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626061C1 (en) * | 2016-10-13 | 2017-07-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Method and device for registering images of phase microobjects in arbitrary narrow spectral intervals |
RU2678708C1 (en) * | 2017-11-23 | 2019-01-31 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Arms length difference determining method in the double-beam fiber-optical interferometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11340438B2 (en) | Fiber splitter device for digital holographic imaging and interferometry and optical system comprising said fiber splitter device | |
Elssner et al. | Absolute sphericity measurement | |
JP2004538451A (en) | Method and device for obtaining a sample by three-dimensional microscopy | |
KR20100134609A (en) | Apparatus and method for measuring surface topography of an object | |
CN103267629A (en) | Point-diffraction interference wave aberration measuring instrument | |
CN111122509B (en) | F-P interferometer-based reflection transmission type phase microscopic imaging measurement system | |
Choi et al. | Michelson-interferometric-configuration-based incoherent digital holography with a geometric phase shifter | |
US20170322151A1 (en) | Interferometric System and Method of Measurement of Refractive Index Spatial Distribution | |
Liżewski et al. | High-precision topography measurement through accurate in-focus plane detection with hybrid digital holographic microscope and white light interferometer module | |
IL269742B1 (en) | Device and method for optical imaging by means of off-axis digital holography | |
RU2527316C1 (en) | Interference microscope | |
EA018804B1 (en) | Interferometric system with spatial carrier frequency capable of imaging in polychromatic radiation | |
Toto-Arellano et al. | Optical path difference measurements with a two-step parallel phase shifting interferometer based on a modified Michelson configuration | |
RU2536764C1 (en) | Method of interference microscopy | |
US3432239A (en) | Optical instruments of the interference type | |
RU2539747C1 (en) | Phase-interference module | |
CN111025876B (en) | Transmission type phase microscopic imaging measurement system based on piezoelectric ceramics | |
CN111122510B (en) | F-P interferometer-based transmission type orthogonal polarization phase microscopic imaging device | |
Schmit et al. | Improved polarization Mirau interference microscope | |
Toy | Wedge prism assisted quantitative phase imaging on standard microscopes | |
Falldorf et al. | Single shot lateral shear interferometer with variable shear | |
Min et al. | Varifocal Metalens for Compact and Accurate Quantitative Phase Imaging | |
RU2673784C1 (en) | Two-component general track interferometer | |
Wang et al. | Single-Shot Common-Path Off-Axis Dual-Wavelength Digital Holographic Microscopy Based on Two-Dimensional Grating Diffraction | |
RU2075063C1 (en) | Double-beam interferometer |