RU2539747C1 - Phase-interference module - Google Patents
Phase-interference module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2539747C1 RU2539747C1 RU2013134977/28A RU2013134977A RU2539747C1 RU 2539747 C1 RU2539747 C1 RU 2539747C1 RU 2013134977/28 A RU2013134977/28 A RU 2013134977/28A RU 2013134977 A RU2013134977 A RU 2013134977A RU 2539747 C1 RU2539747 C1 RU 2539747C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- focal plane
- phase
- optical system
- flat mirror
- microscope
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к микроскопии и может быть использовано в биологии, медицине, оптическом приборостроении.The invention relates to microscopy and can be used in biology, medicine, 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” (M .: 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 в биологии и медицине. К ним относятся различные биологические микрообъекты - клетки, ткани, бактерии 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 in biology and medicine. These include various biological micro-objects - cells, tissues, bacteria, 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. : World, 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 born 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 born before its time. Proceedings of the Royal Microscopical Society, 1998). В этом микроскопе используется метод фазовых шагов (K. 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 born 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 born 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 support 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 фазово-интерференционный микроскоп, описанный в работе В. Bhaduri et.al. ”Diffraction phase microscopy with white ligh”. 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 phase-interference microscope described in the work of B. Bhaduri et.al. "Diffraction phase microscopy with white ligh". 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 интерференционный микроскоп, описанный в работе Z. Wang et.al. ”Spatial light interference microscopy (SLIM)”, Optics Express, Vol.19, No.2, PP.1016-1028, 2011, наиболее близкий к предлагаемому интерференционному микроскопу.Known interference microscope described in the work of Z. Wang et.al. "Spatial light interference microscopy (SLIM)", Optics Express, Vol.19, No.2, PP.1016-1028, 2011, closest to the proposed interference microscope.
Он состоит из оптического микроскопа 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, 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. 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 две волны 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 также рассматривать как голограмму Габора. Для расшифровки интерферограммы используется четыре кадра со сдвигом фазы на π/2.It consists of an optical microscope to form an enlarged image of the object in the output plane of this microscope. Next, an optical module is added to the microscope in the form of a 4f optical system of two Fourier lenses, the front focal plane of which coincides with the rear focal plane of the 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. 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 waves 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 also be considered as a Gabor hologram. To decrypt the interferogram, four frames with a phase shift of π / 2 are used.
Основной недостаток данного интерференционного микроскопа заключается в том, что в нем переменный фазовый фильтр Цернике выполнен на основе чисто фазового пространственно-временного цифрового модулятора света. Такой модулятор имеет ряд недостатков:The main disadvantage of this interference microscope is that in it the Zernike variable phase filter is based on a purely phase-space-time digital light modulator. Such a modulator has several disadvantages:
- большие фазовые искажения, доходящие до величины 1/3 от длины волны используемого излучения, вызванные многослойностью структуры модулятора, состоящего из кремниевой подложки, слоя жидкого кристалла, прозрачного электрода и защитного стекла;- large phase distortion, reaching up to 1/3 of the wavelength of the radiation used, caused by the multilayer structure of the modulator, consisting of a silicon substrate, a layer of liquid crystal, a transparent electrode and a protective glass;
- нелинейность преобразования шкалы серого в фазовую модуляцию, что ведет к погрешности при создании требуемых фазовых шагов;- non-linearity of the conversion of the gray scale to phase modulation, which leads to an error in creating the required phase steps;
- дискретная пространственная структура с большим размером пиксела 15×15 мкм;- discrete spatial structure with a large pixel size of 15 × 15 microns;
Все эти недостатки ведут к уменьшению точности реконструкции фазы из серии интерферограмм. В указанной выше работе в качестве такого модулятора использовался жидкокристаллический чисто фазовый модулятор света (LCPM), модель XY Phase Series Model P512-635 фирмы Boulder Nonlinear Systems, Inc, США. Его технические характеристики взяты с сайта фирмы (http://www.bnonlinear.com/products/xvslm/XY.htm) Основное достоинство данного модулятора состоит в большом количестве градаций по фазе от 256 и до 512 уровней при максимально достижимом фазовом сдвиге 2π. Но в данном приложении используется всего 4 уровня по фазе в малой пространственной зоне в несколько пикселов. При этом модулятор имеет высокую цену модулятора, которая может доходить до 15 тысяч долларов.All these shortcomings lead to a decrease in the accuracy of phase reconstruction from a series of interferograms. In the above work, a liquid crystal pure phase light modulator (LCPM), the XY Phase Series Model P512-635 from Boulder Nonlinear Systems, Inc., USA, was used as such a modulator. Its technical characteristics are taken from the company's website (http://www.bnonlinear.com/products/xvslm/XY.htm) The main advantage of this modulator is a large number of gradations in phase from 256 to 512 levels with a maximum achievable phase shift of 2π. But in this application, only 4 levels are used in phase in a small spatial zone of several pixels. At the same time, the modulator has a high modulator price, which can reach up to 15 thousand dollars.
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в уменьшении фазовых искажений, повышении линейности фазового сдвига и повышении точности измерений.The technical problem solved by the present invention is to reduce phase distortion, increase the linearity of the phase shift and increase the accuracy of the measurements.
Решение поставленной задачи достигается посредством того, что в фазово-интерференционном модуле, содержащем микроскоп для формирования увеличенного изображения микрообъекта в задней фокальной плоскости этого микроскопа, 4f оптическую систему из двух фурье-объективов, передняя фокальная плоскость которой совпадает с задней фокальной плоскостью микроскопа, а в задней фокальной плоскости 4f оптической системы располагается регистратор выходного изображения, внутри 4f оптической системы до общей фокальной плоскости располагается светоделитель, а в общей фокальной плоскости 4f оптической системы размещен фазовый пространственный фильтр Цернике, работающий на отражение, выполненный в виде плоского зеркала, состоящего из неподвижной плоской зеркальной детали с узким отверстием в центре и подвижной плоской зеркальной детали, установленной в этом отверстии с возможностью перемещения в направлении нормали к поверхности неподвижной детали, причем центр подвижной плоской зеркальной детали совпадает с оптической осью 4f оптической системы.The solution of this problem is achieved by the fact that in the phase-interference module containing a microscope for forming an enlarged image of a micro-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 microscope, and in an output image recorder is located in the rear focal plane 4f of the optical system; an LED is located inside the 4f optical system to the common focal plane a divider, and in the common focal plane 4f of the optical system there is a Zernike phase spatial filter operating on reflection, made in the form of a flat mirror, consisting of a fixed flat mirror part with a narrow hole in the center and a movable flat mirror part mounted in this hole with the ability to move in the direction normal to the surface of the stationary part, the center of the moving flat mirror part coincides with the optical axis 4f of the optical system.
Уменьшение фазовых искажений, вносимых предлагаемым фильтром, достигается тем, что в нем отсутствуют многочисленные прозрачные слои. Фильтр представляет собой плоское зеркало, отклонение от плоскостности которого при современном уровне технологии изготовления оптических элементов может быть не хуже 1/20 от длины волны на диаметре 30 мм. Так как размер рабочей зоны фильтра не превышает 5 мм, то отклонение от плоскости будет еще меньше. Местные отклонения от плоскости или шероховатость полированной поверхности зеркала не превышают единиц нанометров.The reduction of phase distortion introduced by the proposed filter is achieved by the fact that it lacks numerous transparent layers. The filter is a flat mirror, the deviation from the flatness of which at the current level of technology for manufacturing optical elements can be no worse than 1/20 of the wavelength at a diameter of 30 mm. Since the size of the filter’s working area does not exceed 5 mm, the deviation from the plane will be even smaller. Local deviations from the plane or roughness of the polished surface of the mirror do not exceed a few nanometers.
Повышение линейности фазового сдвига связано с тем, что в предлагаемом фильтре фазовый сдвиг прямо пропорционален механическому смещению подвижной детали, которое можно выполнить с высокой точностью с помощью пьезопривода.The increase in the linearity of the phase shift is due to the fact that in the proposed filter the phase shift is directly proportional to the mechanical displacement of the moving part, which can be performed with high accuracy using a piezo drive.
Возможен вариант фазово-интерференционного модуля, отличающийся тем, что подвижная плоская зеркальная деталь закреплена на пьезоэлементе.A variant of the phase-interference module is possible, characterized in that the movable flat mirror part is fixed to the piezoelectric element.
Далее предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемым чертежом.Further, the invention is illustrated by a specific example of its implementation and the accompanying drawing.
Фиг.1 иллюстрирует принципиальную схему модуля, состоящую из двух частей: коммерческого микроскопа 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-объективов, 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 18, например, клинообразная пластина или кубик, расположенный до общей фокальной плоскости 4f системы; фазовый пространственный фильтр Цернике, состоящий, например, из неподвижной плоской зеркальной детали 15 с узким отверстием, в которое устанавливается подвижная плоская зеркальная деталь 16. Другой вариант осуществления изобретения основан на том, что подвижная плоская зеркальная деталь 16 закреплена на пьезоэлементе 17.Figure 1 illustrates a circuit diagram of a module consisting of two parts: a commercial microscope I and an interference attachment 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; 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 the image recorder 14 is mounted, for example, a CCD; a beam splitter 18, for example, a wedge-shaped plate or cube located up to the common focal plane 4f of the system; Zernike phase spatial filter, consisting, for example, of a stationary flat mirror part 15 with a narrow hole into which a movable flat mirror part 16 is mounted. Another embodiment of the invention is based on the fact that the movable flat mirror part 16 is mounted on a piezoelectric element 17.
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 18, за которым в общей фокальной плоскости формируется спектр пространственных частот.The back focal plane of the microscope is aligned with the front focal plane 4f of the optical system. In it, radiation passes through an optical element 11, then through a beam splitter 18, behind which a spectrum of spatial frequencies is formed in a common focal plane.
В общей фокальной плоскости 4f системы установлен фазовый пространственный фильтр Цернике, состоящий из неподвижной плоской зеркальной детали 15 с узким отверстием, в котором устанавливается подвижная плоская зеркальная деталь 16, причем центр подвижной плоской зеркальной детали совпадает с оптической осью 4f оптической системы. Подвижная плоская зеркальная деталь 16 может перемещаться в направлении нормали к поверхности неподвижной детали на известную величину Δ, что позволяет вносить фазовый сдвиг между рассеянным и нерассеянным излучениями и реализовать метод интерферометрии фазовых шагов. Излучение беспрепятственно отражается от элементов 15 и 16 и распространяется в обратном направлении. Таким образом, формируются опорный и предметный пучки. 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, a Zernike phase spatial filter is installed, consisting of a fixed flat mirror part 15 with a narrow hole in which a moving flat mirror part 16 is mounted, the center of the moving flat mirror part coinciding with the optical axis 4f of the optical system. The movable flat mirror part 16 can move in the direction normal to the surface of the fixed part by a known value of Δ, which makes it possible to introduce a phase shift between scattered and unscattered radiation and implement the method of interferometry of phase steps. Radiation is reflected unobstructed from elements 15 and 16 and propagates in the opposite direction. Thus, the supporting and subject beams are formed. In the reverse stroke, the reflected rays are combined in space by a beam splitter and pass through an optical element 12, which builds in the rear focal plane 13 an interference image of a phase object 6, fixed by the recorder 14.
Метод фазовых шагов реализуется созданием разности хода между интерферирующими опорным и предметным пучками путем смещения подвижной плоской зеркальной детали 16, установленной на пьезоэлементе 17, на известную величину Δ вдоль оптической оси системы.The phase step method is implemented by creating a path difference between the interfering reference and object beams by shifting the movable flat mirror part 16 mounted on the piezoelectric element 17 by a known value Δ along the optical axis of the system.
Устройство работает в два этапа следующим образом.The device operates in two stages as follows.
Исследуемый фазовый объект 6 помещается в передней фокальной плоскости микроскопа и регистрируется его первое интерференционное изображение. Далее в фазовом пространственном фильтре Цернике подвижная зеркальная деталь 16 смещается на величину Δ=λ/4, где λ - центральная длина волны используемого излучения. Это вызывает фазовый сдвиг на π/2 радиан относительно предметного пучка, отраженного от неподвижной плоской зеркальной детали 15. В результате формируется другое интерференционное изображение микрообъекта. Последовательное смещение подвижной плоской зеркальной детали 16 на указанную величину Δ ведет к формированию серии интерференционных изображений с различной начальной фазой, по которым восстанавливается фазовое изображение объекта 6 по методу фазовых шагов.The investigated phase object 6 is placed in the front focal plane of the microscope and its first interference image is recorded. Further, in the Zernike phase spatial filter, the movable mirror part 16 is shifted by Δ = λ / 4, where λ is the central wavelength of the radiation used. This causes a phase shift of π / 2 radians relative to the object beam reflected from the stationary flat mirror part 15. As a result, another interference image of the micro-object is formed. The sequential displacement of the movable flat mirror part 16 by the indicated value Δ leads to the formation of a series of interference images with different initial phases, by which the phase image of the object 6 is restored by the method of phase steps.
Возможен также вариант осуществления изобретения, когда подвижная зеркальная деталь 16 закреплена на пьезоэлементе для реализации метода фазового сдвига.An embodiment of the invention is also possible when the movable mirror part 16 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: фазовый пространственный фильтр Цернике выполнен в виде плоского зеркала, состоящего из неподвижной плоской зеркальной детали с узким отверстием в центре и подвижной плоской зеркальной детали, установленной в этом отверстии и имеющей возможность перемещаться в направлении нормали к поверхности неподвижной детали, причем центр подвижной плоской зеркальной детали совпадает с оптической осью 4f оптической системы, что позволяет уменьшить фазовые искажения, повысить линейность фазового сдвига и точность измерений.Thus, the claimed invention provides a solution to the above technical problems due to the following essential features of the device used: the Zernike phase spatial filter is made in the form of a flat mirror, consisting of a fixed flat mirror part with a narrow hole in the center and a movable flat mirror part installed in this hole and having the ability to move in the normal direction to the surface of the stationary part, and the center of the moving flat mirror part coincides with optical axis 4f of the optical system, which allows to reduce phase distortion, increase the linearity of the phase shift and the accuracy of the measurements.
Хотя заявляемое в качестве изобретения устройство описано на примере его конкретного варианта 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 specific embodiment thereof, it will be clear to those skilled in the art that numerous modifications of this device will be possible without departing from the scope of the idea and scope of legal protection of the invention as defined by the attached claims.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013134977/28A RU2539747C1 (en) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | Phase-interference module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013134977/28A RU2539747C1 (en) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | Phase-interference module |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2539747C1 true RU2539747C1 (en) | 2015-01-27 |
| RU2013134977A RU2013134977A (en) | 2015-02-10 |
Family
ID=53281417
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013134977/28A RU2539747C1 (en) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | Phase-interference module |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2539747C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2677239C1 (en) * | 2018-02-02 | 2019-01-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Installation for measurement of microrelief using phase step method |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2353961C1 (en) * | 2007-06-25 | 2009-04-27 | Институт прикладной физики РАН | Phase-contrast device for transparent objects visualisation |
| US7659993B2 (en) * | 2004-08-11 | 2010-02-09 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften E.V. | Method and device for wave-front sensing |
| CN102221327A (en) * | 2011-04-29 | 2011-10-19 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Phase shift interference microscopic device and method based on Zernike phase contrast imaging |
-
2013
- 2013-07-26 RU RU2013134977/28A patent/RU2539747C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7659993B2 (en) * | 2004-08-11 | 2010-02-09 | Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung Der Wissenschaften E.V. | Method and device for wave-front sensing |
| RU2353961C1 (en) * | 2007-06-25 | 2009-04-27 | Институт прикладной физики РАН | Phase-contrast device for transparent objects visualisation |
| CN102221327A (en) * | 2011-04-29 | 2011-10-19 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Phase shift interference microscopic device and method based on Zernike phase contrast imaging |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Z. Wang et.al. "Spatial light interference microscopy (SLIM)", Optics Express, Vol.19, No.2, PP.1016-1028, 2011. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2677239C1 (en) * | 2018-02-02 | 2019-01-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Installation for measurement of microrelief using phase step method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013134977A (en) | 2015-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Colomb et al. | Polarization microscopy by use of digital holography: application to optical-fiber birefringence measurements | |
| Slabý et al. | Off-axis setup taking full advantage of incoherent illumination in coherence-controlled holographic microscope | |
| CN110058393B (en) | Phase microscopic imaging device and method based on structured light illumination | |
| EP3102982B1 (en) | Digital holographic device | |
| US20080018966A1 (en) | Digital holographic microscope for 3d imaging and process using it | |
| Yang et al. | Single-shot and phase-shifting digital holographic microscopy using a 2-D grating | |
| Ling et al. | Quadriwave lateral shearing interferometric microscopy with wideband sensitivity enhancement for quantitative phase imaging in real time | |
| KR101716125B1 (en) | Method and Apparatus for Measuring 3D Refractive Index Tomograms Using a High-Speed Wavefront Shaper | |
| Tayebi et al. | Double-field-of-view, quasi-common-path interferometer using Fourier domain multiplexing | |
| Liżewski et al. | High-precision topography measurement through accurate in-focus plane detection with hybrid digital holographic microscope and white light interferometer module | |
| Choi et al. | Michelson-interferometric-configuration-based incoherent digital holography with a geometric phase shifter | |
| CN111122509A (en) | Reflection-transmission type phase microscopic imaging measurement system based on F-P interferometer | |
| Jackin et al. | Geometric phase shifting digital holography | |
| RU2527316C1 (en) | Interference microscope | |
| RU2539747C1 (en) | Phase-interference module | |
| Toto-Arellano et al. | Optical path difference measurements with a two-step parallel phase shifting interferometer based on a modified Michelson configuration | |
| Haist et al. | Holography using pixelated spatial light modulators—Part 2: applications | |
| RU2536764C1 (en) | Method of interference microscopy | |
| KR20170012168A (en) | Method and Apparatus for Measuring 3D Refractive Index Tomograms Using a High-Speed Wavefront Shaper | |
| Schmit et al. | Improved polarization Mirau interference microscope | |
| Zhong et al. | Two-shot common-path phase-shifting interferometer with a four-step algorithm and an unknown phase shift | |
| CN111122510B (en) | F-P interferometer-based transmission type orthogonal polarization phase microscopic imaging device | |
| Falldorf et al. | Single shot lateral shear interferometer with variable shear | |
| Depeursinge | Digital holography applied to microscopy | |
| Machikhin et al. | Single-shot multi-spectral digital holographic imaging through acousto-optic wavelength scanning |