RU2574791C2

RU2574791C2 - Method of obtaining optical three-dimensional and spectral images of microlenses and device therefor

Info

Publication number: RU2574791C2
Application number: RU2014106776/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Висковатых; Александр Сергеевич Мачихин; Витольд Эдуардович Пожар; Владислав Иванович Пустовойт
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2016-02-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of obtaining optical three-dimensional and spectral images of microlenses includes collimating wideband optical radiation of a source, splitting into two beams - a reference beam and an objective beam, forming an interference pattern by converging said beams and recording said interference pattern with a detector array. The method further includes filtering by tunable spectral acousto-optical monochromator. The narrow-band spectral image of an object is recorded while the reference beam is blocked by a removable opaque absorber.

EFFECT: implementing full-field optical coherence tomography mode and spectral image recording mode in arbitrary spectral intervals.

5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологиям получения оптических трехмерных изображений микрообъектов и спектральных изображений микрообъектов, которые позволяют контрастировать и визуализировать элементы микрообъектов с различными физико-химическими свойствами.The invention relates to technologies for obtaining optical three-dimensional images of microobjects and spectral images of microobjects, which allow contrasting and visualizing elements of microobjects with various physicochemical properties.

Известны приборы для регистрации спектральных изображений, которые позволяют визуализировать и за счет этого выделять элементы микрообъектов с различными физико-химическими свойствами [патент US 5377003; патент US 5841577]. При этом подобные устройства не дают возможность получить информацию о распределении свойств этих объектов по глубине. Известны оптические когерентные томографы, которые позволяют определить трехмерное распределение свойств оптически прозрачных объектов методами интерферометрии [патент US 5321501; патент US 7733497]. При этом спектральная регистрация используется для вычисления распределения по глубине.Known instruments for recording spectral images, which allow you to visualize and due to this select the elements of microobjects with different physico-chemical properties [patent US 5377003; US patent 5841577]. Moreover, such devices do not provide an opportunity to obtain information about the distribution of the properties of these objects in depth. Known optical coherent tomographs that allow you to determine the three-dimensional distribution of the properties of optically transparent objects by interferometry [patent US 5321501; US Pat. No. 7,733,497]. In this case, spectral recording is used to calculate the depth distribution.

Эти методы дают разную информацию об объекте и дополняют друг друга. Поэтому во многих исследованиях необходимо проводить оба вида анализа. Однако при последовательном исследовании объекта на двух разных установках не всегда возможно осуществить однозначную привязку двух изображений, что снижает эффективность такого двойного анализа. Кроме того, состояние объекта за время перемещения может измениться, что не позволяет исследовать нестационарные объекты и переходные процессы в них.These methods give different information about the object and complement each other. Therefore, in many studies it is necessary to carry out both types of analysis. However, in a sequential study of an object in two different settings, it is not always possible to unambiguously link two images, which reduces the effectiveness of such a double analysis. In addition, the state of the object during the movement can change, which does not allow to study unsteady objects and transients in them.

Известны устройства, объединяющие эти два вида исследования [Park J, Jo J., Shrestha S., Pande P., Wan Q., Applegate B. // Biomedical optics express, 2010. V. 1. №1. P. 186.]. Однако они имеют лишь один общий элемент - входной объектив, т.е. представляют собой фактически механическое объединение двух приборов, что отражается на размере, сложности, стоимости установки. Такая установка требует сложной калибровки и квалифицированного обслуживания. Поэтому вопрос создания простых и надежных систем, выполняющих функции и спектральной визуализации, и оптической когерентной томографии (ОКТ), которые могли бы эксплуатироваться в рядовых медико-биологических, аналитических и других лабораториях, является актуальным.Known devices that combine these two types of research [Park J, Jo J., Shrestha S., Pande P., Wan Q., Applegate B. // Biomedical optics express, 2010. V. 1. No. 1. P. 186.]. However, they have only one common element - the input lens, i.e. actually represent a mechanical combination of two devices, which affects the size, complexity, cost of installation. Such an installation requires sophisticated calibration and skilled service. Therefore, the question of creating simple and reliable systems that perform the functions of both spectral imaging and optical coherence tomography (OCT), which could be operated in ordinary biomedical, analytical, and other laboratories, is relevant.

В качестве прототипа такого устройства целесообразно взять компактную установку для ОКТ, описанную в статье [Т. Bonin, G. Franke, М. Hagen-Eggert, P. Koch, G. Huttmann. In vivo Fourier-domain full-field OCT of the human retina with 1.5 million A-lines/s. // Optic Letters, 2010. V. 35. №20. P. 3432-3434], решающую задачу получения трехмерных томографических изображений.As a prototype of such a device, it is advisable to take the compact installation for OCT described in the article [T. Bonin, G. Franke, M. Hagen-Eggert, P. Koch, G. Huttmann. In vivo Fourier-domain full-field OCT of the human retina with 1.5 million A-lines / s. // Optic Letters, 2010. V. 35. No. 20. P. 3432-3434], the decisive task of obtaining three-dimensional tomographic images.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.The objective of the invention is to eliminate the disadvantages of the known solutions.

Техническим результатом изобретения является возможность реализации режима ОКТ полного поля и режима регистрации спектральных изображений в произвольных спектральных интервалах в едином приборе при значительной унификации рабочих элементов и узлов, используемых в этих режимах, и без использования сложных, громоздких и дорогих оптико-электронных и механических компонентов.The technical result of the invention is the possibility of realizing the full-field OCT mode and the spectral image registration mode at arbitrary spectral intervals in a single device with a significant unification of the working elements and nodes used in these modes, and without the use of complex, bulky and expensive optical-electronic and mechanical components.

Указанный технический результат достигается за счет того, что применяется способ получения оптических трехмерных и спектральных изображений микрообъектов, состоящий в том, что широкополосное оптическое излучение источника коллимируют, делят на два пучка примерно равной интенсивности, которые направляют в два разных канала, причем в одном канале, называемом референтным, пучок фокусируют на зеркале, а в другом, называемом объектным, - на исследуемом объекте, и после отражения формируют два интерферирующих отраженных пучка, которые сводятся вместе, а интерференционная картина, создаваемая этими двумя пучками, регистрируется матричным приемником; отличающийся тем, что отраженные и сведенные вместе световые пучки фильтруют перестраиваемым спектральным акустооптическим монохроматором, сохраняющим изображение, а референтный канал оснащают съемным непрозрачным поглотителем, посредством которого излучение в референтном канале блокируется, и в этом положении в приемном канале производят регистрацию узкополосного спектрального изображения объекта.The specified technical result is achieved due to the fact that the method of obtaining optical three-dimensional and spectral images of microobjects is applied, consisting in the fact that the broadband optical radiation of the source is collimated, divided into two beams of approximately equal intensity, which are sent to two different channels, and in one channel, called the reference, the beam is focused on the mirror, and in the other, called the object, on the object under study, and after reflection, two interfering reflected beams are formed, which reduce Xia together, and the interference pattern created by the two beams is detected by the receiver matrix; characterized in that the reflected and brought together light beams are filtered by a tunable spectral acousto-optic monochromator, which stores the image, and the reference channel is equipped with a removable opaque absorber, by which the radiation in the reference channel is blocked, and in this position, a narrow-band spectral image of the object is recorded in the receiving channel.

Таким образом, в первом положении, когда поглотитель снят (выведен из канала), регистрируется картина интерференции двух пучков на длине волны, выделяемой акустооптическим монохроматором (фильтром). Перестраивая монохроматор последовательно в пределах рабочего спектрального диапазона, получают серию спектральных интерферометрических изображений, которые с использованием преобразования Фурье пересчитываются в трехмерное распределение коэффициента отражения по пространству. Во втором положении, когда поглотитель введен в канал, регистрируется отраженное в объектном канале излучение на длине волны, выделяемой акустооптическим монохроматором (фильтром). Настраивая монохроматор последовательно на разные длины волн, получают серию спектральных изображений, характеризующих распределение по полю зрения коэффициента отражения от объектаThus, in the first position, when the absorber is removed (removed from the channel), the pattern of interference of two beams at a wavelength emitted by an acousto-optic monochromator (filter) is recorded. By rearranging the monochromator sequentially within the working spectral range, a series of spectral interferometric images is obtained, which are converted using the Fourier transform into a three-dimensional spatial reflection coefficient distribution. In the second position, when the absorber is introduced into the channel, the radiation reflected in the object channel is recorded at the wavelength emitted by the acousto-optic monochromator (filter). By tuning the monochromator sequentially to different wavelengths, we obtain a series of spectral images characterizing the distribution over the field of view of the reflection coefficient from the object

Одной из проблем использования методов ОКТ является различие интенсивности интерферирующих пучков, что снижает контраст регистрируемой интерферограммы. Для этого при делении падающего светового потока обеспечивают примерно одинаковую интенсивность пучков, направляющихся в объектный и референтный каналы. Поскольку коэффициент отражения от объекта может меняться в значительных пределах, предпочтительно в референтный канал устанавливать нейтральный светофильтр, ослабляющий отраженный от референтного зеркала пучок до уровня пучка, отраженного от объекта.One of the problems of using OCT methods is the difference in the intensity of interfering beams, which reduces the contrast of the recorded interferogram. To do this, when dividing the incident light flux, approximately the same intensity of the beams traveling to the object and reference channels is provided. Since the reflection coefficient from the object can vary significantly, it is preferable to install a neutral filter in the reference channel, which attenuates the beam reflected from the reference mirror to the level of the beam reflected from the object.

Еще одной проблемой, с которой сталкиваются в ОКТ, является определение плоскости нулевой разности хода, т.е. середины интервала по глубине, в пределах которого вычисляется распределение характеристик объекта. Положение этой плоскости определяется разностью хода света в объектном и референтном каналах. Для смещения этой плоскости по глубине объекта перемещают референтное зеркало. Поскольку одновременно необходимо перемещать и микрообъектив референтного канала, предпочтительно микрообъектив и зеркало в референтном канале выполнить как единый подвижный модуль, имеющий единый механизм осевого перемещения.Another problem encountered in OCT is the determination of the plane of the zero path difference, i.e. the middle of the interval in depth, within which the distribution of the characteristics of the object is calculated. The position of this plane is determined by the difference in the path of light in the object and reference channels. To shift this plane along the depth of the object, the reference mirror is moved. Since it is also necessary to move the micro-lens of the reference channel at the same time, it is preferable to perform the micro-lens and the mirror in the reference channel as a single movable module having a single axial movement mechanism.

Еще одним техническим результатом является способ однозначного высокоточного определения положения плоскости нулевой разности хода. Этот технический результат достигается за счет применения интерферометрического измерителя линейных перемещений, выполненного с возможностью контролировать перемещение подвижного модуля, что позволяет осуществить матричным приемником запись автокорреляционной функции излучения, по которой однозначно восстанавливается положение указанной плоскости.Another technical result is a method for uniquely high-precision determination of the position of the plane of the zero stroke difference. This technical result is achieved through the use of an interferometric linear displacement meter, made with the ability to control the movement of the movable module, which allows the matrix receiver to record the autocorrelation function of radiation, by which the position of the indicated plane is uniquely restored.

Важной задачей при анализе изображений является привязка полученных трехмерных или спектральных двумерных изображений к поверхности объекта. Для этого предпочтительно в приемном канале установить переключатель светового потока, который в одном из положений позволяет направлять световой поток на цветную (RGB) видеокамеру до прохождения его через акустооптический монохроматор. Это позволяет, не перемещая объект, получать дополнительно его цветные изображения, к которым будут привязаны получаемые спектральные и трехмерные томографические изображения.An important task in the analysis of images is the binding of the obtained three-dimensional or spectral two-dimensional images to the surface of the object. For this, it is preferable to install a luminous flux switch in the receiving channel, which in one of the positions allows directing the luminous flux to a color (RGB) video camera before passing through an acousto-optical monochromator. This allows, without moving the object, to obtain additionally its color images, to which the resulting spectral and three-dimensional tomographic images will be attached.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На Фиг. 1 показана структурная оптическая схема прибора, где 1 - источник света, 2 - конденсор, 3 - светоделитель-компенсатор, 4, 7 - микрообъективы, 5 - исследуемый объект, 6 - подвижная рамка, 8 - референтное зеркало, 9 - подвижный зеркальный переключатель, 10 - акустооптический монохроматор, 11, 14 - выходные объективы, 12 - монохромный матричный приемник излучения, 13 - плоское зеркало; 15 - цветной матричный приемник излучения, 16 - интерферометрический измеритель линейных перемещений.In FIG. 1 shows a structural optical diagram of the device, where 1 is a light source, 2 is a condenser, 3 is a beam splitter-compensator, 4, 7 are micro-lenses, 5 is an object under study, 6 is a movable frame, 8 is a reference mirror, 9 is a movable mirror switch, 10 - acousto-optic monochromator, 11, 14 - output lenses, 12 - monochrome array radiation detector, 13 - flat mirror; 15 - color matrix radiation detector, 16 - interferometric linear displacement meter.

Каналы интерферометра: I - осветительный, II - объектный, III - референтный, IV - приемный; ИЛ - интерферометр Линника.Interferometer channels: I - illuminating, II - object, III - reference, IV - receiving; IL - Linnik interferometer.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно широкополосного источника света 1, конденсора 2 и микроинтерферометра ИЛ, который включает светоделитель-компенсатор 3, идентичные микрообъективы 4, 7 и референтное зеркало 8, а в приемном канале микроинтерферометра устанавливают выходной объектив 11 и матричный приемник излучения 12.The invention can be implemented on the basis of a device consisting of optically coupled and sequentially located broadband light source 1, a condenser 2 and a microinterferometer IL, which includes a beam splitter-compensator 3, identical micro-lenses 4, 7 and a reference mirror 8, and in the receiving channel of the microinterferometer set the output the lens 11 and the matrix radiation detector 12.

Отличием изобретения является то, что в приемный канал IV между интерферометром ИЛ и выходным объективом 11 помещают акустооптический монохроматор изображений 10, а в референтный канал III интерферометра ИЛ помещают подвижный двухпозиционный элемент 6, в первом положении блокирующий свет в канале с помощью оптического поглотителя 6а, а во втором ослабляющий свет в канале с помощью сменного нейтрального светофильтра 6б. При этом элементы референтного канала III (микрообъектив 7 и зеркало 8), как целое, имеют механизм осевого перемещения.A difference of the invention is that an acousto-optic image monochromator 10 is placed in the receiving channel IV between the IL interferometer and the output lens 11, and a movable on-off element 6 is placed in the reference channel III of the IL interferometer, in the first position blocking the light in the channel using the optical absorber 6a, and in the second, the attenuating light in the channel using a replaceable neutral light filter 6b. Moreover, the elements of the reference channel III (micro lens 7 and mirror 8), as a whole, have an axial movement mechanism.

В предпочтительном варианте осуществления в приемном канале IV перед акустооптическим монохроматором 10 устанавливают подвижный зеркальный переключатель 9, который в одном положении отражает световой поток на цветную (RGB) видеокамеру 15, а во втором не блокирует световой поток, допуская его прохождение через акустооптический монохроматор 10.In a preferred embodiment, a movable mirror switch 9 is installed in front of the acousto-optic monochromator 10 in the receiving channel IV, which in one position reflects the light flux onto the color (RGB) video camera 15, and in the second does not block the light flux, allowing it to pass through the acousto-optic monochromator 10.

Предпочтительно в референтном плече может быть установлен интерферометрический измеритель линейных перемещений 16, который позволяет измерять перемещение подвижного модуля, состоящего из микрообъектива 7 и референтного зеркала 8, в референтном канале III. Это позволяет осуществить запись автокорреляционной функции излучения, регистрируемого матричным приемником 12, по которой однозначно восстанавливается положение плоскости нулевой разности хода.Preferably, an interferometric linear displacement meter 16 may be installed in the reference arm, which allows measuring the movement of the movable module, consisting of the micro-lens 7 and the reference mirror 8, in the reference channel III. This allows you to record the autocorrelation function of the radiation detected by the matrix receiver 12, which uniquely restores the position of the plane of the zero path difference.

Прибор работает следующим образом.The device operates as follows.

Излучение широкополосного источника света 1 с помощью конденсора 2 подается на светоделитель-компенсатор 3, который делит световой поток примерно пополам и направляет его в референтный III и объектный II каналы. В режиме ОКТ задвижка 6 содержит нейтральный светофильтр 6а, плотность которого в зависимости от отражательных характеристик исследуемого объекта 5 определяется из условия примерного равенства интенсивности отраженных интерферирующих световых пучков. Идентичные микрообъективы 4 и 7 фокусируют излучение на исследуемом объекте 5 и референтном зеркале 8 соответственно. После отражения от последних объективами 4 и 7 формируются интерферирующие пучки, которые далее подаются вновь на светоделитель-компенсатор 3. После светоделителя оба пучка фильтруются АО монохроматором 10 и фокусируются объективом 11 на матричном приемнике излучения 12.The radiation of the broadband light source 1 by means of a condenser 2 is fed to a beam splitter-compensator 3, which divides the luminous flux approximately in half and directs it to the reference III and object II channels. In the OCT mode, the valve 6 contains a neutral light filter 6a, the density of which, depending on the reflective characteristics of the studied object 5, is determined from the condition that the intensity of the reflected interfering light beams is approximately equal. Identical micro-lenses 4 and 7 focus the radiation on the studied object 5 and the reference mirror 8, respectively. After reflection from the latter by lenses 4 and 7, interfering beams are formed, which are then fed back to the beam splitter-compensator 3. After the beam splitter, both beams are filtered by the AO monochromator 10 and focused by the lens 11 on the radiation matrix receiver 12.

В режиме спектрального микроскопа подвижка содержит непрозрачный поглотитель 6б, так что референтный канал III оказывается заблокированным. В этом случае в приемном канале IV производится регистрация широкополосного изображения (с помощью зеркал 9 и 13, объектива 14 и приемника излучения 15) и узкополосного спектрального изображения (с помощью зеркал АО монохроматора 10, объектива 11 и приемника излучения 12).In the spectral microscope mode, the slide contains an opaque absorber 6b, so that the reference channel III is blocked. In this case, a wide-band image (using mirrors 9 and 13, a lens 14 and a radiation receiver 15) and a narrow-band spectral image (using AO mirrors of a monochromator 10, a lens 11, and a radiation receiver 12) are recorded in the receiving channel IV.

Исследуемый объект при смене режима работы прибора не подвергается какому-либо механическому воздействию, что позволяет эффективно производить совместную обработку данных, полученных во всех режимах.When changing the operating mode of the device, the studied object is not subjected to any mechanical impact, which allows efficient joint processing of data obtained in all modes.

В режиме калибровки на место образца устанавливается плоское зеркало, аналогичное зеркалу 8 в референтном канале. Матричным приемником 12 записывается автокорреляционная функция излучения, отфильтрованного акустооптическим фильтром 10 (интерферограмма). После выполнения преобразования Фурье получается аппаратная функция акустооптического фильтра 10. Это выполняется на каждом шаге перестройки акустооптического фильтра по длинам волн. Получаемая информация очень важна для использования в целях повышения точности последующих измерений в режиме ОКТ и спектрального микроскопа.In the calibration mode, a flat mirror is installed in place of the sample, similar to mirror 8 in the reference channel. The matrix receiver 12 records the autocorrelation function of the radiation filtered by the acousto-optic filter 10 (interferogram). After performing the Fourier transform, the hardware function of the acousto-optic filter is obtained 10. This is performed at each step of tuning the acousto-optic filter according to wavelengths. The information obtained is very important for use in order to improve the accuracy of subsequent measurements in the OCT mode and spectral microscope.

Claims

1. The method of obtaining optical three-dimensional and spectral images of microobjects, consisting in the fact that the broadband optical radiation of the source is collimated, divided into two beams of approximately equal intensity, which are sent to two different channels, and in one channel, called the reference, the beam is focused on the mirror, and in another, called object, two interfering reflected beams are formed on the object under study and after reflection, which are brought together, and the interference pattern created by these two beams, egistriruetsya matrix receiver; characterized in that the reflected and brought together light beams are filtered by a tunable spectral acousto-optic monochromator, which stores the image, and the reference channel is equipped with a removable opaque absorber, by which the radiation in the reference channel is blocked, and in this position, a narrow-band spectral image of the object is recorded in the receiving channel.

2. The method according to p. 1, characterized in that the radiation in the reference channel is additionally attenuated so as to provide approximately equal intensity of the interfering reflected light beams.

3. A device for obtaining three-dimensional optical and spectral images of microobjects, consisting of optically coupled and sequentially located broadband light source, a condenser and a Linnik interferometer containing a beam splitter-compensator, identical micro lenses and a reference mirror, in the receiving channel of which there is an output lens and a matrix radiation receiver ; characterized in that an acousto-optic image monochromator is installed in the receiving channel between the interferometer and the output lens; a movable two-position element is placed in the reference channel of the interferometer, made with the ability in the first position to block the light in the channel using an optical absorber, and in the second - attenuating light in the channel using a replaceable neutral filter; moreover, the elements of the reference channel — the micro lens and the mirror — are made as a single unit in the form of a movable module and have a single axial movement mechanism.

4. The device according to claim 3, characterized in that a movable mirror element is installed in the receiving channel in front of the acousto-optic monochromator, which is capable of reflecting the light flux onto a color (RGB) video camera in one position and not blocking the light flux in the second, allowing its passage through an acousto-optical monochromator.

5. The device according to p. 3 or 4, characterized in that an interferometric linear displacement meter is installed in the reference arm for precision control of the movement of the movable module, consisting of a micro lens and a reference mirror.