RU2601729C1 - Method and device for optically transparent micro-objects spectral digital holographic images recording - Google Patents

Method and device for optically transparent micro-objects spectral digital holographic images recording Download PDF

Info

Publication number
RU2601729C1
RU2601729C1 RU2015139710/28A RU2015139710A RU2601729C1 RU 2601729 C1 RU2601729 C1 RU 2601729C1 RU 2015139710/28 A RU2015139710/28 A RU 2015139710/28A RU 2015139710 A RU2015139710 A RU 2015139710A RU 2601729 C1 RU2601729 C1 RU 2601729C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
acousto
mirrors
spectral
filter
diffraction
Prior art date
Application number
RU2015139710/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Мачихин
Витольд Эдуардович Пожар
Original Assignee
Александр Сергеевич Мачихин
Витольд Эдуардович Пожар
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Сергеевич Мачихин, Витольд Эдуардович Пожар filed Critical Александр Сергеевич Мачихин
Priority to RU2015139710/28A priority Critical patent/RU2601729C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2601729C1 publication Critical patent/RU2601729C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02097—Self-interferometers
    • G01B9/02098—Shearing interferometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G01N21/453—Holographic interferometry
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/0443—Digital holography, i.e. recording holograms with digital recording means

Abstract

FIELD: information technology.
SUBSTANCE: method of spectral digital holographic images producing, implemented by device, consists in formation of collimated broadband light beam, its selective diffraction in acousto-optical filter, its division into two beams, passing of one of them through analyzed object. Then, performing convergence of two beams into one with alignment of wave fronts propagation direction. Providing optical radiation selective diffraction in second acousto-optical filter and recording of diffracted beam by radiation matrix receiver.
EFFECT: technical result consists in provision of multiple narrow spectral recording bands using single broadband light source, elimination of spatial-spectral distortions of images for their precision spatial alignment, reduced sensitivity to external flares, higher stability of device operation and higher spectral contrast.
5 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам получения цифровых голографических изображений оптически прозрачных микрообъектов, в частности цифровых голограмм на разных длинах волн.The proposed technical solution relates to devices for obtaining digital holographic images of optically transparent microobjects, in particular digital holograms at different wavelengths.

Методы цифровой голографической микроскопии (ЦГМ) эффективно используются для неинвазивной диагностики биообъектов (например, в цитологии и морфологии) и для неразрушающих исследований технических объектов и материалов (анализ деформаций, микротрещин и т.п.).Digital holographic microscopy (CTM) methods are effectively used for non-invasive diagnostics of biological objects (for example, in cytology and morphology) and for non-destructive studies of technical objects and materials (analysis of deformations, microcracks, etc.).

Регистрация цифровых голографических изображений объектов в произвольных спектральных полосах позволяет контрастно выделять элементы этих объектов, имеющие разные физико-химические свойства, и определять их положение и геометрические характеристики.Registration of digital holographic images of objects in arbitrary spectral bands makes it possible to contrastly distinguish elements of these objects having different physicochemical properties and determine their position and geometric characteristics.

Методы ЦГМ позволяют одновременно получать информацию о характеристиках поглощения/прозрачности исследуемого объекта и о его фазовой структуре. При этом в плоскости регистрации на фотоприемнике содержатся наложенные друг на друга изображения объекта в различных интерференционных порядках: первом, нулевом и минус первом. Таким образом, восстановленные по сигналу матричного фотоприемника интерференционные изображения неизбежно содержат не только информацию об исследуемом слое, но и фоновый сигнал от всего образца, что снижает их пространственный контраст и информативность. Для разделения различных порядков применяются внеосевые схемы регистрации, требующие высокой точности сборки и юстировки системы. Также для этого используется метод фазового сдвига, заключающийся в записи трех или более цифровых голограмм, сдвинутых по фазе относительно друг друга на известную величину, и их дальнейшей совместной цифровой обработке [М. Gross, M. Atlan, Ε. Absil. Noise and aliases in off-axis and phase-shifting holography. // Applied Optics, 2008. 47(11). P. 1757-1766].CGM methods allow you to simultaneously obtain information about the absorption / transparency characteristics of the investigated object and its phase structure. Moreover, the registration plane on the photodetector contains superimposed images of the object in various interference orders: first, zero and minus the first. Thus, the interference images reconstructed from the matrix photodetector signal inevitably contain not only information about the layer under study, but also a background signal from the entire sample, which reduces their spatial contrast and information content. To separate the various orders, off-axis registration schemes are used that require high precision assembly and alignment of the system. Also for this, the phase shift method is used, which consists in recording three or more digital holograms, phase-shifted relative to each other by a known amount, and their further joint digital processing [M. Gross, M. Atlan, Ε. Absil. Noise and aliases in off-axis and phase-shifting holography. // Applied Optics, 2008.47 (11). P. 1757-1766].

Многоволновые методы ЦГМ, в которых регистрируется ряд цифровых голограмм на разных длинах волн, позволяют получить дополнительную информацию об объекте. В частности, из совокупности цифровых голограмм, записанных на длинах волн, расположенных через равные интервалы по шкале волновых чисел, могут быть реконструированы трехмерные изображения с высоким разрешением по глубине образца [патент США 7,127,109 B1 от 24.10.2006]. При этом вычисленные трехмерные изображения оптически прозрачных микроструктур являются монохромными, т.е. не содержат спектральной информации.The multi-wavelength methods of the TsGM, in which a number of digital holograms are recorded at different wavelengths, provide additional information about the object. In particular, from a set of digital holograms recorded at wavelengths spaced at equal intervals on a wave number scale, high-resolution three-dimensional images can be reconstructed along the depth of the sample [US patent 7,127,109 B1 of 10.24.2006]. In this case, the calculated three-dimensional images of optically transparent microstructures are monochrome, i.e. do not contain spectral information.

Зависимость оптических спектральных свойств объекта от его физико-химического состава позволяет выделять разные по составу элементы объекта, выявляя его структуру. Поэтому неоднократно предлагались методы и предпринимались попытки получения многоцветных и спектральных голографических изображений, например, путем использования нескольких когерентных (лазерных) источников света, дающих монохроматическое излучение на разных длинах волн [патент США 6,760,134 B1 от 06.07.2004]. Однако до сих пор не существует методов регистрации голографических мультиспектральных изображений, где спектральная перестройка могла бы осуществляться почти непрерывно в некотором диапазоне длин волн, т.е. с шагом, не превышающим ширину спектральной полосы каждого изображения. Для реализации этого на практике число разрешимых спектральных полос должно составлять хотя бы несколько десятков.The dependence of the optical spectral properties of an object on its physicochemical composition makes it possible to distinguish elements of an object of different composition, revealing its structure. Therefore, methods have been repeatedly proposed and attempts have been made to obtain multicolor and spectral holographic images, for example, by using several coherent (laser) light sources giving monochromatic radiation at different wavelengths [US Patent 6,760,134 B1 dated July 6, 2004]. However, there are still no methods for recording holographic multispectral images, where spectral tuning could be carried out almost continuously in a certain wavelength range, i.e. in increments not exceeding the spectral bandwidth of each image. To put this into practice, the number of resolvable spectral bands should be at least several tens.

Известна лишь одна реализация подобного подхода, заключающаяся в использовании схемы «на отражение» на основе интерферометра Майкельсона, в осветительном канале которого установлен перестраиваемый акустооптический (АО) фильтр [G. Sheoran, S. Dubey, Α. Anand et al. Swept-source digital holography to reconstruct tomographic images // Optic letters, 2009. V. 34(12). P. 1879-1881]. Данная схема имеет существенный недостаток, проявляющийся в пространственно-спектральных искажениях изображения и, в частности, в спектральном сдвиге изображения при перестройке по длине волны [V. Pozhar, A. Machihin. Image aberrations caused by light diffraction via ultrasonic waves in uniaxial crystals // Applied Optics, 2012. V. 51(19). P. 4513-4519]. Еще одним недостатком этой технической реализации является заметное (≈20%) пропускание излучения вне полосы пропускания (центрального максимума) вследствие того, что классическая функция пропускания АО фильтра описывается функцией sinc2(x)≡sin2(x)/x2, которая имеет значительные боковые максимумы. Эти проблемы связаны с использованием АО фильтра и не зависят от схемы интерферометра: «на отражение» или «на проход».Only one implementation of this approach is known, consisting in the use of a “reflection” scheme based on a Michelson interferometer, in the lighting channel of which a tunable acousto-optic (AO) filter is installed [G. Sheoran, S. Dubey, Α. Anand et al. Swept-source digital holography to reconstruct tomographic images // Optic letters, 2009. V. 34 (12). P. 1879-1881]. This scheme has a significant drawback, which manifests itself in spatial-spectral distortions of the image and, in particular, in the spectral shift of the image when tuning along the wavelength [V. Pozhar, A. Machihin. Image aberrations caused by light diffraction via ultrasonic waves in uniaxial crystals // Applied Optics, 2012.V. 51 (19). P. 4513-4519]. Another drawback of this technical implementation is the noticeable (≈20%) transmission of radiation outside the passband (central maximum) due to the fact that the classical transmission function of the AO filter is described by the function sinc 2 (x) ≡sin 2 (x) / x 2 , which has significant lateral highs. These problems are associated with the use of an AO filter and are independent of the interferometer scheme: “reflection” or “passage”.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков схем. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является решение, описанное в патенте США US 8687253 B2 от 13.12.11, в котором реализована схема цифровой голографии на проход на основе интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) с возможностью за счет изменения длины волны когерентного/монохроматического источника света получить серию голограмм на разных длинах волн.The proposed technical solution is aimed at eliminating these drawbacks of the schemes. Closest to the proposed technical solution is the solution described in US patent US 8687253 B2 dated 12/13/11, which implements a digital pass-through holography based on the Mach-Zehnder interferometer (MZI) with the possibility of changing the wavelength of a coherent / monochromatic light source get a series of holograms at different wavelengths.

Решаемая данным техническим решением задача - получение цифровых голографических изображений оптически прозрачных микрообъектов на разных длинах волн.The problem solved by this technical solution is obtaining digital holographic images of optically transparent microobjects at different wavelengths.

Технический результат изобретения, который может быть получен, состоит в следующем: в уменьшении пространственно-спектральных искажений изображений до уровня, допускающего их пространственное совмещение, в снижении чувствительности к внешним засветкам за счет повторной спектральной фильтрации излучения непосредственно перед его регистрацией; в повышении спектрального контраста голограмм; в том, что регистрация множества узких спектральных полос осуществляется с использованием всего одного источника света. Этот результат достигается за счет использования широкополосного источника света в совокупности с перестраиваемыми АО фильтрами и двукратной последовательной фильтрации света в паре АО фильтров, расположенных на входе (в осветительном канале) и выходе (в приемном канале) ИМЦ.The technical result of the invention, which can be obtained, is as follows: to reduce the spatial and spectral distortion of the images to a level that allows their spatial alignment, to reduce the sensitivity to external illumination due to repeated spectral filtering of the radiation immediately before registration; in increasing the spectral contrast of holograms; in that the registration of many narrow spectral bands is carried out using only one light source. This result is achieved through the use of a broadband light source in conjunction with tunable AO filters and twofold sequential filtering of light in a pair of AO filters located at the input (in the lighting channel) and output (in the receiving channel) of the PMI.

Метод регистрации спектральных голографических изображений оптически прозрачных микрообъектов состоит в формировании коллимированного широкополосного светового пучка, его селективной дифракции в АО фильтре, делении его на два пучка, пропускании одного из них через исследуемый объект, дальнейшем сведении двух пучков в один с совмещением направления распространения волновых фронтов, последующей селективной дифракции светового излучения во втором АО фильтре, идентичном первому АО фильтру, развернутому относительно него на 180° в плоскости дифракции и настраиваемому на ту же длину волны, что и первый фильтр, регистрации дифрагированного пучка матричным приемником излучения.The method for recording spectral holographic images of optically transparent microobjects consists in forming a collimated broadband light beam, selectively diffracting it in an AO filter, dividing it into two beams, passing one of them through the object under study, further reducing the two beams into one with combining the direction of wavefront propagation, subsequent selective diffraction of light radiation in the second AO filter, identical to the first AO filter, rotated 180 ° relative to it in a plane diffraction and tunable to the same wavelength as the first filter, registering the diffracted beam with a matrix radiation detector.

Данный технический результат в части устройства достигают за счет того, что в устройстве, состоящем из размещенных последовательно и оптически связанных осветительного канала с широкополосным источником света и коллимирующей оптической системой, интерферометра Маха-Цендера, содержащего светоделители на входе и выходе, опорное и/или объектное плечи которого содержат систему зеркал, причем объектное плечо содержит систему зеркал с варьируемым расстоянием между ними для регулировки длин оптических путей излучения в плечах, и приемного канала, в котором располагается матричный приемник излучения, в осветительный канал между коллимирующей оптической системой и интерферометром и в приемный канал между интерферометром и матричным приемником излучения помещены АО фильтры, каждый из которых состоит из входного и выходного поляризаторов с ортогонально ориентированными осями поляризации и расположенной между ними АО ячейкой, при этом АО ячейки фильтров имеют полностью идентичную геометрию дифракции и развернуты относительно друг друга на 180° в плоскости дифракции.This technical result in terms of the device is achieved due to the fact that in the device, consisting of a sequentially and optically connected lighting channel with a broadband light source and a collimating optical system, a Mach-Zehnder interferometer containing beam splitters at the input and output, a reference and / or object the shoulders of which contain a system of mirrors, the object shoulder contains a system of mirrors with a variable distance between them to adjust the lengths of the optical paths of radiation in the shoulders, and the receiving of the channel in which the matrix radiation detector is located, AO filters are placed in the illumination channel between the collimating optical system and the interferometer and in the reception channel between the interferometer and the matrix radiation receiver, each of which consists of input and output polarizers with orthogonally oriented polarization axes and located between them AO cell, while the AO filter cells have a completely identical diffraction geometry and are rotated 180 ° relative to each other in the diffraction plane.

В опорном плече между системой зеркал и выходным светоделителем может быть размещен микрообъектив, в фокусе которого установлена точечная диафрагма (пинхол) для формирования сферического опорного фронта.A micro-lens can be placed in the support arm between the system of mirrors and the output beam splitter, in the focus of which a point diaphragm (pinhole) is mounted to form a spherical support front.

В объектном плече в параллельном ходе лучей перед исследуемым объектом может быть размещен микрообъектив, в фокусе которого установлена точечная диафрагма (пинхол) для формирования сферического фронта.A micro lens can be placed in the object shoulder in a parallel path of rays in front of the object under study, with a point diaphragm (pinhole) mounted to focus to form a spherical front.

Система зеркал содержит пару неподвижных плоских зеркал, пару расположенных на общем основании подвижных зеркал, ориентированных параллельно первым, и блок параллельного перемещения второй пары зеркал.The mirror system contains a pair of stationary flat mirrors, a pair of movable mirrors located on a common base, oriented parallel to the first, and a block for parallel movement of the second pair of mirrors.

Изобретение поясняется структурной оптической схемой устройства, представленной на Фиг. 1.The invention is illustrated by the structural optical diagram of the device shown in FIG. one.

Устройство для регистрации спектральных голографических изображений оптически прозрачных микрообъектов состоит из осветительного канала, интерферометра Маха-Цендера (ИМИ) и приемного канала (на чертеже не оцифрованы). Осветительный канал включает в себя оптически связанные и расположенные последовательно широкополосный источник света 1, коллимирующую оптическую систему 2 для формирования светового пучка нужного диаметра и АО фильтр 3. АО фильтр 3 состоит из двух ортогональных входного (3а) и выходного (3в) поляризаторов и установленной между ними широкоугольной АО ячейки (3б). АО ячейка представляет собой кристалл, в котором возбуждается бегущая ультразвуковая волна, период которой задается частотой, подаваемой на акустический излучатель высокочастотного электрического сигнала. Интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ - на чертеже не оцифрован) содержит на входе и входе идентичные полупрозрачные зеркала 4 и 12, используемые в качестве светоделителей. Для изменения направления распространения излучения и обеспечения равенства длин оптических путей излучения в объектном и опорном плечах размещены идентичные зеркала 5-7, 9-11. В опорном плече расположены микрообъектив Па и точечная диафрагма (пинхол) 11, размещенные между зеркалами 11 и 12. В другом (объектном) - микрообъектив 7а, точечная диафрагма (пинхол) 7б и исследуемый объект 8, размещенные между зеркалами 7 и 9. Приемный канал (на чертеже не оцифрован) включает в себя АО фильтр 13, состоящий из ортогональных входного (13а) и выходного(13в) поляризаторов и расположенной между ними АО ячейки (13б), и матричный приемник излучения 14. АО ячейки фильтров 3 и 13 развернуты относительно друг друга на 180° и имеют полностью идентичную геометрию АО взаимодействия.A device for recording spectral holographic images of optically transparent microobjects consists of a lighting channel, a Mach-Zehnder interferometer (IMR) and a receiving channel (not digitized in the drawing). The illumination channel includes optically coupled and sequentially located broadband light source 1, a collimating optical system 2 for forming a light beam of the desired diameter and AO filter 3. The AO filter 3 consists of two orthogonal input (3a) and output (3c) polarizers and installed between them wide-angle AO cells (3b). AO cell is a crystal in which a traveling ultrasonic wave is excited, the period of which is determined by the frequency supplied to the acoustic emitter of a high-frequency electric signal. The Mach-Zehnder interferometer (MZI is not digitized in the drawing) contains identical translucent mirrors 4 and 12 at the input and input, used as beam splitters. To change the direction of radiation propagation and ensure equal lengths of the optical radiation paths, identical mirrors 5-7, 9-11 are placed in the object and reference arms. In the support arm, there is a micro lens Pa and a pinhole (pinhole) 11, located between the mirrors 11 and 12. In the other (object), a microscope 7a, a pinhole (pinhole) 7b and the object under study 8, located between the mirrors 7 and 9. The receiving channel (not digitized in the drawing) includes an AO filter 13, consisting of orthogonal input (13a) and output (13c) polarizers and an AO cell (13b) located between them, and an array radiation detector 14. AO cells of filters 3 and 13 are deployed relative to 180 ° each other and are completely identical AO interaction geometry.

Пары зеркал 6, 7 и 10, 11 могут размещаться на подвижных основаниях.Pairs of mirrors 6, 7 and 10, 11 can be placed on movable bases.

Для реализации заявленного метода на входе устройства формируют коллимированный широкополосный световой пучок, осуществляют его спектральную фильтрацию с помощью АО фильтра 3, делят его на два пучка, один из которых пропускают через исследуемый объект, а другой используют в качестве опорной волны для дальнейшего получения голограммы. Затем эти два пучка сводят в один с совмещением направления распространения волновых фронтов, после чего осуществляют его спектральную фильтрацию с помощью АО фильтра 13, который идентичен АО фильтру 3 и при этом развернут относительно него на 180° в плоскости дифракции и который настраивают на ту же длину волны, что и первый фильтр. Селективно продифрагировавший световой пучок регистрируют на матричный приемник излучения.To implement the claimed method, a collimated broadband light beam is formed at the input of the device, it is spectrally filtered using AO filter 3, it is divided into two beams, one of which is passed through the object under study, and the other is used as a reference wave for further obtaining a hologram. Then these two beams are combined into one with the combined direction of wavefront propagation, after which it is spectrally filtered using an AO filter 13, which is identical to the AO filter 3 and is rotated 180 ° relative to it in the diffraction plane and which is adjusted to the same length waves like the first filter. The selectively diffracted light beam is recorded on a matrix radiation detector.

Совокупность зарегистрированных сигналов во всех пикселях фотоприемника характеризует распределение светового потока по пространству (интерференционную картину в плоскости фотоприемника) и представляет собой цифровую голограмму объекта на длине волны, на которую настроены АО фильтры.The set of registered signals in all pixels of the photodetector characterizes the distribution of the light flux over the space (interference pattern in the plane of the photodetector) and is a digital hologram of the object at the wavelength that AO filters are tuned for.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата на входе устройства располагают широкополосный источник света, оптическую систему для формирования коллимированного светового пучка нужного диаметра и АО фильтр 3, состоящий из двух скрещенных (с ортогонально ориентированными осями поляризации) поляризаторов и установленной между ними АО ячейки (представляющей собой кристалл, в котором возбуждается бегущая ультразвуковая волна, период которой задается частотой, подаваемой на акустический излучатель высокочастотного электрического сигнала). В АО ячейке линейно поляризованный световой пучок дифрагирует с изменением направления линейной поляризации на ортогональную и отклонением направления распространения излучения, длина волны которого определяется периодом ультразвуковой волны. Недифрагированное излучение задерживается выходным поляризатором фильтра. В АО фильтре 3 используется широкоугольная геометрия дифракции, обеспечивающая эффективную дифракцию компонент света, идущих под разными углами, что позволяет впоследствии восстановить угло-частотную структуру объекта.To solve the specified technical problem with achieving the specified technical result, a broadband light source, an optical system for forming a collimated light beam of the desired diameter and an AO filter 3, consisting of two crossed (with orthogonally oriented polarization axes) polarizers and an AO cell installed between them, are arranged at the input of the device (which is a crystal in which a traveling ultrasonic wave is excited, the period of which is determined by the frequency supplied to the acoustic radiation ents high-frequency electric signal). In a AO cell, a linearly polarized light beam diffracts with a change in the direction of linear polarization to orthogonal and a deviation in the direction of propagation of radiation, the wavelength of which is determined by the period of the ultrasonic wave. Undiffracted radiation is delayed by the output polarizer of the filter. In the AO filter 3, a wide-angle diffraction geometry is used, which ensures efficient diffraction of light components traveling at different angles, which subsequently allows the restoration of the angle-frequency structure of the object.

После АО фильтра узкополосное излучение подается на вход интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ), где делится светоделителем на два пучка в соотношении 1:1 по интенсивности и направляется в объектное и опорное плечи ИМЦ.After the AO filter, narrow-band radiation is fed to the input of the Mach-Zehnder interferometer (MZI), where it is divided by a beam splitter into two beams in a ratio of 1: 1 in intensity and sent to the object and reference arms of the MZI.

В объектном плече ИМЦ свет пропускают через исследуемый объект и систему зеркал с варьируемым расстоянием между ними, что позволяет регулировать длину оптического пути света, в частности устанавливать равенство длин оптических путей в объектном и опорном плечах.In the object arm of the IMC, light is passed through the object under study and a system of mirrors with a variable distance between them, which allows you to adjust the optical path of the light, in particular, to establish the equality of the lengths of the optical paths in the object and reference arms.

В опорном плече свет пропускают через систему зеркал, обеспечивающую фиксированную или варьируемую длину оптического пути, в результате чего образуется опорный волновой фронт излучения в виде плоской волны.In the reference arm, light is transmitted through a system of mirrors providing a fixed or variable optical path length, as a result of which a reference radiation wavefront is formed in the form of a plane wave.

Световые пучки из объектного и опорного плечей ИМЦ пространственно совмещают светоделителем 12 таким образом, чтобы направления распространения волновых фронтов их совпадали. Образованный единый световой пучок направляют на АО фильтр 13, идентичный АО фильтру 3 и развернутый относительно него на 180° в плоскости дифракции, который настраивают на ту же длину волны, что и АО фильтр 3. Таким образом, излучение проходит АО фильтр 13 в противоположном направлении в сравнении с АО фильтром 3, и искажения, вызванные первым АО фильтром, компенсируются во втором. Двойная фильтрация света также позволяет повысить спектральный контраст изображения за счет снижения доли излучения вне основного максимума функции пропускания АО фильтров.Light beams from the object and reference arms of the IMC are spatially aligned by the beam splitter 12 so that the directions of wavefront propagation coincide. The formed single light beam is directed to the AO filter 13, which is identical to the AO filter 3 and rotated 180 ° relative to it in the diffraction plane, which is tuned to the same wavelength as the AO filter 3. Thus, the radiation passes the AO filter 13 in the opposite direction in comparison with the AO filter 3, and the distortions caused by the first AO filter are compensated in the second. Double filtering of light also allows to increase the spectral contrast of the image by reducing the fraction of radiation outside the main maximum of the transmission function of AO filters.

Селективно продифрагировавший световой пучок регистрируют матричным приемником излучения 14. Совокупность зарегистрированных сигналов во всех пикселях фотоприемника характеризует распределение светового потока по пространству (интерференционную картину в плоскости фотоприемника) и представляет собой цифровую голограмму объекта на длине волны, на которую настроены АО фильтры.A selectively diffracted light beam is recorded by a radiation matrix detector 14. The set of recorded signals in all pixels of the photodetector characterizes the spatial distribution of the light flux (interference pattern in the plane of the photodetector) and is a digital hologram of the object at the wavelength that AO filters are tuned for.

Для получения цифрового голографического изображения на другой длине волны осуществляют синхронную перестройку АО фильтров 3 и 13 на требуемую длину волны посредством задания соответствующих частот ультразвука и регистрируют изображение матричным приемником. Обработка спектральных цифровых голографических изображений на разных длинах волн производится классическими методами ЦГМ.To obtain a digital holographic image at a different wavelength, the AO filters 3 and 13 are synchronously tuned to the desired wavelength by setting the appropriate ultrasound frequencies and the image is recorded by a matrix receiver. The processing of spectral digital holographic images at different wavelengths is carried out by the classical methods of the central computer.

После установки нового объекта в световой пучок оптические длины пути в обоих плечах ИМЦ выравнивают путем перемещения подвижных зеркал.After installing a new object in the light beam, the optical path lengths in both arms of the MZI are aligned by moving the moving mirrors.

Исходный пучок света делят первым светоделителем 4 на части, две примерно равные по величине части (оптимально, чтобы интенсивности света в двух каналах на выходе были равны).The initial light beam is divided by the first beam splitter 4 into parts, two approximately equal in magnitude of the part (it is optimal that the light intensities in the two channels at the output are equal).

В частном случае выполнения устройства получения цифровых голографических изображений в опорном плече свет пропускают через микрообъектив 11а, в фокусе которого установлена точечная диафрагма (пинхол) 11б, в результате чего образуется опорный волновой фронт излучения в виде сферической волны. Далее по зарегистрированной цифровой голограмме посредством обратного преобразования Фурье восстанавливают амплитудно-фазовую структуру объекта.In the particular case of the implementation of the device for obtaining digital holographic images in the reference arm, the light is transmitted through a micro lens 11a, in the focus of which a point diaphragm (pinhole) 11b is installed, as a result of which a reference wavefront of radiation in the form of a spherical wave is formed. Then, using the registered digital hologram, the amplitude-phase structure of the object is restored using the inverse Fourier transform.

В другом частном случае выполнения устройства получения цифровых голографических изображений в объектном плече свет пропускают через микрообъектив 7а, в фокусе которого установлена точечная диафрагма (пинхол) 7б, в результате чего в объектном плече волновой фронт излучения принимает вид сферической волны.In another particular case of the implementation of the device for obtaining digital holographic images in the object shoulder, light is transmitted through a micro lens 7a, in the focus of which a point aperture (pinhole) 7b is installed, as a result of which the wavefront of the radiation in the object shoulder takes the form of a spherical wave.

Еще в одном частном случае система зеркал выполнена в виде двух пар зеркал, одна из которых расположена на подвижном основании параллельно другой (неподвижной) паре и может перемещаться поступательно вместе с основанием, что позволяет регулировать разность хода в опорном и объектном плечах ИМЦ для компенсации оптической толщины исследуемого объекта.In another particular case, the mirror system is made in the form of two pairs of mirrors, one of which is located on a movable base parallel to the other (fixed) pair and can move translationally with the base, which allows you to adjust the travel difference in the reference and object arms of the IMC to compensate for optical thickness the investigated object.

Устройство работает следующим образом. Рассматриваемый объект помещается в объектное плечо интерферометра. Задается частота ультразвука, подаваемая на АО ячейки и соответствующая требуемой длине волны света. На выходе интерферометра появляются два совмещенных световых одинаково поляризованных пучка, формирующие интерференционную картину. Это пространственное распределение на заданной длине волны регистрируется матричным приемником излучения.The device operates as follows. The object under consideration is placed in the object arm of the interferometer. The ultrasound frequency applied to the AO cell is set and corresponds to the required wavelength of light. At the output of the interferometer, two combined light equally polarized beams appear, forming an interference pattern. This spatial distribution at a given wavelength is recorded by a matrix radiation detector.

После этого задается другая частота ультразвука, соответствующая следующей длине волны, и регистрируется пространственное распределение на этой длине волны. Процесс повторяется на всех длинах волн, подлежащих анализу.After that, another ultrasound frequency is set corresponding to the next wavelength, and the spatial distribution at this wavelength is recorded. The process is repeated at all wavelengths to be analyzed.

В дальнейшем каждое из изображений обрабатывается методами цифровой обработки изображения.Subsequently, each of the images is processed by digital image processing methods.

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 (5)

1. Метод получения спектральных цифровых голографических изображений, заключающийся в формировании коллимированного широкополосного светового пучка, его селективной дифракции в акустооптическом фильтре, делении его на два пучка, пропускании одного из них через исследуемый объект, дальнейшем сведении двух пучков в один с совмещением направления распространения волновых фронтов, последующей селективной дифракции светового излучения во втором акустооптическом фильтре, идентичном первому акустооптическому фильтру, развернутому относительно него на 180° в плоскости дифракции и настраиваемому на ту же длину волны, что и первый фильтр, регистрации дифрагированного пучка матричным приемником излучения.1. The method of obtaining spectral digital holographic images, which consists in the formation of a collimated broadband light beam, its selective diffraction in an acousto-optic filter, dividing it into two beams, passing one of them through the object under study, further reducing the two beams into one with combining the propagation direction of the wave fronts subsequent selective diffraction of light by a second acousto-optic filter identical to the first acousto-optic filter 180 ° in the diffraction plane and tuned to the same wavelength as the first filter, registering the diffracted beam with a matrix radiation detector. 2. Устройство для регистрации цифровых голографических спектральных изображений оптически прозрачных микрообъектов, состоящее из размещенных последовательно и оптически связанных осветительного канала с широкополосным источником света и коллимирующей оптической системой, интерферометра Маха-Цендера, содержащего светоделители на входе и выходе, опорное и/или объектное плечи которого содержат систему зеркал, причем объектное плечо содержит систему зеркал с варьируемым расстоянием между ними для регулировки длин оптических путей излучения в плечах, и приемного канала, в котором располагается матричный приемник излучения, отличающееся тем, что в осветительный канал между коллимирующей оптической системой и интерферометром и в приемный канал между интерферометром и матричным приемником излучения помещены акустооптические фильтры, каждый из которых состоит из входного и выходного поляризаторов с ортогонально ориентированными осями поляризации и расположенной между ними акустооптической ячейкой, при этом акустооптические ячейки фильтров имеют полностью идентичную геометрию дифракции и развернуты относительно друг друга на 180° в плоскости дифракции.2. Device for recording digital holographic spectral images of optically transparent microobjects, consisting of a sequentially and optically connected lighting channel with a broadband light source and a collimating optical system, a Mach-Zehnder interferometer containing beam splitters at the input and output, the reference and / or object arms of which contain a system of mirrors, and the object arm contains a system of mirrors with a variable distance between them to adjust the optical path lengths from exercises in the shoulders, and the receiving channel in which the matrix radiation detector is located, characterized in that acousto-optic filters are placed in the lighting channel between the collimating optical system and the interferometer and in the receiving channel between the interferometer and the radiation matrix receiver, each of which consists of an input and output polarizers with orthogonally oriented polarization axes and an acousto-optic cell located between them, while the acousto-optic filter cells are completely identical th diffraction geometry and unfolded from each other by 180 ° in the diffraction plane. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в опорном плече между системой зеркал и выходным светоделителем размещен микрообъектив, в фокусе которого установлена точечная диафрагма (пинхол) для формирования сферического опорного фронта.3. The device according to claim 2, characterized in that in the support arm between the system of mirrors and the output beam splitter there is a micro-lens, in the focus of which a point diaphragm (pinhole) is installed to form a spherical support front. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в объектном плече в параллельном ходе лучей перед исследуемым объектом размещен микрообъектив, в фокусе которого установлена точечная диафрагма (пинхол) для формирования сферического фронта.4. The device according to p. 2, characterized in that in the object shoulder in a parallel path of rays in front of the object under study there is a micro lens in the focus of which a point diaphragm (pinhole) is installed to form a spherical front. 5. Устройство по пп. 2-4, отличающееся тем, что система зеркал содержит пару неподвижных плоских зеркал, пару расположенных на общем основании подвижных зеркал, ориентированных параллельно первым, и блок параллельного перемещения второй пары зеркал. 5. The device according to paragraphs. 2-4, characterized in that the mirror system comprises a pair of stationary flat mirrors, a pair of movable mirrors located on a common base, oriented parallel to the first, and a block for parallel movement of the second pair of mirrors.
RU2015139710/28A 2015-09-18 2015-09-18 Method and device for optically transparent micro-objects spectral digital holographic images recording RU2601729C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015139710/28A RU2601729C1 (en) 2015-09-18 2015-09-18 Method and device for optically transparent micro-objects spectral digital holographic images recording

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015139710/28A RU2601729C1 (en) 2015-09-18 2015-09-18 Method and device for optically transparent micro-objects spectral digital holographic images recording

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2601729C1 true RU2601729C1 (en) 2016-11-10

Family

ID=57277989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015139710/28A RU2601729C1 (en) 2015-09-18 2015-09-18 Method and device for optically transparent micro-objects spectral digital holographic images recording

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2601729C1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655472C1 (en) * 2017-06-01 2018-05-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) Method and device for the hard-to-reach objects optical characteristics spatial distribution registration
RU181750U1 (en) * 2018-01-09 2018-07-26 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Digital holographic device
RU2703495C1 (en) * 2019-01-17 2019-10-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Digital holographic and spectral images recording device for microobjects
RU2713567C1 (en) * 2019-06-26 2020-02-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) Method of recording a multispectral digital holographic image
RU2758151C1 (en) * 2021-03-02 2021-10-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) Method for single-frame registration of several spectral digital holographic images
RU2786365C1 (en) * 2022-03-17 2022-12-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) Color reproduction method based on polychromatic acousto-optic filtering of broadband radiation

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62263428A (en) * 1986-05-09 1987-11-16 Canon Inc Apparatus for measuring phase change
RU2195694C2 (en) * 1998-10-16 2002-12-27 Иванов Анатолий Геннадьевич Process forming image, device for its embodimentn and method forming video signals
FR2871902A1 (en) * 2004-06-17 2005-12-23 Centre Nat Rech Scient METHOD AND INSTALLATION OF ACOUSTO-OPTICAL IMAGING

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62263428A (en) * 1986-05-09 1987-11-16 Canon Inc Apparatus for measuring phase change
RU2195694C2 (en) * 1998-10-16 2002-12-27 Иванов Анатолий Геннадьевич Process forming image, device for its embodimentn and method forming video signals
FR2871902A1 (en) * 2004-06-17 2005-12-23 Centre Nat Rech Scient METHOD AND INSTALLATION OF ACOUSTO-OPTICAL IMAGING

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655472C1 (en) * 2017-06-01 2018-05-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) Method and device for the hard-to-reach objects optical characteristics spatial distribution registration
RU181750U1 (en) * 2018-01-09 2018-07-26 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Digital holographic device
RU2703495C1 (en) * 2019-01-17 2019-10-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Digital holographic and spectral images recording device for microobjects
RU2713567C1 (en) * 2019-06-26 2020-02-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) Method of recording a multispectral digital holographic image
RU2758151C1 (en) * 2021-03-02 2021-10-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) Method for single-frame registration of several spectral digital holographic images
RU2786365C1 (en) * 2022-03-17 2022-12-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) Color reproduction method based on polychromatic acousto-optic filtering of broadband radiation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2601729C1 (en) Method and device for optically transparent micro-objects spectral digital holographic images recording
CN108303020B (en) Double-channel phase shift phase measurement microscope combining digital holography and differential interference
Réhault et al. Two-dimensional electronic spectroscopy with birefringent wedges
CN105241374B (en) The common orthogonal carrier frequency digital holographic detection device in road of dual wavelength and detection method
KR100631060B1 (en) Apparatus and method for measuring thickness and profile of transparent thin-film by white-light interferometry
RU2544876C1 (en) Device to measure optical characteristics and method to measure optical characteristics
US7230718B2 (en) Simultaneous phase-shifting fizeau interferometer
EP3102982B1 (en) Digital holographic device
US7289253B2 (en) System and methods for shearless hologram acquisition
US10228655B2 (en) Incoherent fluorescence digital holographic microscopy using transmission liquid crystal lens
WO2013086527A1 (en) Systems and methods self-referenced quantitative phase microscopy
EP3673305B1 (en) Add-on imaging module for off-axis recording of polarization coded waves
CN111256582B (en) Transient phase-shifting lateral shearing interferometer and measurement method
Wang et al. Snapshot phase-shifting lateral shearing interferometer
Hao et al. Common-path interferometer with four simultaneous phase-shifted interferograms using Ronchi grating and cube beamsplitter
WO2020240541A1 (en) System for spatial multiplexing
EA018804B1 (en) Interferometric system with spatial carrier frequency capable of imaging in polychromatic radiation
Lopez-Ortiz et al. Phase profile analysis of transparent objects through the use of a two windows interferometer based on a one beam splitter configuration
KR102434350B1 (en) A polarized holographic microscope system and sample image acquisition method using the same
RU2758003C1 (en) Method for registration of holographic images of objects
Machikhin Acousto-optical tunable filters: applications in 3D imaging and multi-wavelength digital holography
Meneses-Fabian et al. Phase-shifting interferometry with four interferograms using linear polarization modulation and a Ronchi grating displaced by only a small unknown amount
Islas et al. Development of a dynamic interferometer using recycled components based on polarization phase shifting techniques
Froehly et al. Dispersion compensation properties of grating-based temporal-correlation optical coherence tomography systems
Jackson et al. Demonstration of Interference Pattern Structured Illumination Imaging

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20170116