RU2626061C1 - Метод и устройство для регистрации изображений фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах - Google Patents
Метод и устройство для регистрации изображений фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626061C1 RU2626061C1 RU2016140353A RU2016140353A RU2626061C1 RU 2626061 C1 RU2626061 C1 RU 2626061C1 RU 2016140353 A RU2016140353 A RU 2016140353A RU 2016140353 A RU2016140353 A RU 2016140353A RU 2626061 C1 RU2626061 C1 RU 2626061C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microobjects
- narrow spectral
- spectral
- phase
- light
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
- G02B21/361—Optical details, e.g. image relay to the camera or image sensor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологиям количественной фазовой микроскопии и предназначено для измерения пространственного распределения фазовой задержки, вносимой прозрачным микрообъектом, в произвольных узких спектральных интервалах. Способ заключается в том, что прошедшее через микрообъект коллимированное широкополосное оптическое излучение фильтруется и поляризуется с помощью перестраиваемого монохроматора и поляризатора, и затем делится на два идентичных пучка, которые сводятся под углом и направляются на вход 4f-системы, в которой в плоскости промежуточного изображения осуществляется пространственная фильтрация одного из них с выделением в нем узконаправленного излучения в виде плоской волны, далее регистрируется картина их интерференции матричным приемником излучения. Процедура повторяется для всех требуемых спектральных компонент. Технический результат – возможность получения изображений фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах, упрощение конструкции, уменьшение габаритов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к технологиям количественной фазовой микроскопии и предназначено для измерения пространственного распределения фазовой задержки, вносимой прозрачным микрообъектом, в произвольных узких спектральных интервалах. Известны устройства количественного морфологического анализа клеток и биотканей, основанные на методах количественной визуализации фазы, в которых регистрируется интерференционное изображение, образованное в результате интерференции опорной световой волны и прошедшей через исследуемый образец объектной волны, а результатом обработки зарегистрированной интерференционной картины является двумерное распределение величины вносимой неоднородным микрообразцом фазовой задержки. Поскольку фазовая задержка пропорциональна оптической длине пути света, прошедшего через исследуемый образец, то есть зависит от его толщины и показателя преломления, то для получения количественной информации о показателе преломления клеток требуется регистрация изображений на нескольких длинах волн. В случае если показатель преломления исследуемого объекта (или вещества) и, как следствие, вносимая им фазовая задержка имеют существенную спектральную зависимость, которая может быть использована в задачах идентификации объекта и анализа протекающих в нем процессов, необходимо измерение на многих длинах волн, в том числе на конкретных, определяемых составом объекта.
Существует несколько подходов к решению задачи регистрации спектральных фазовых изображений, но все они обладают теми или иными недостатками: необходимостью замены фильтров [Y. Park, Т. Yamauchi, W. Choi, R. Dasari, and M.S. Feld, Opt. Lett. 34, 3668 (2009)], перемещения образца из одной иммерсионной среды в другую [В. Rappaz, P. Marquet, Е. Cuche, Y. Emery, С. Depeursinge, and P.J. Magistretti, Opt. Express 13, 9361 (2005)], использования нескольких различных источников излучения [D. Fu, W. Choi, Y.J. Sung, Z. Yaqoob, R.R. Dasari, and M. Feld, Biomed. Opt. Express 1, 347 (2010)] или подвижных элементов и дополнительного дорогостоящего оборудования (спектрометра) [патент US 8837045; Н. Pham, В. Bhaduri, Н. Ding, and G. Popescu, Opt. Lett. 37, 3438 (2012)]. Методы, использующие многоволновой подход, ограничены, как правило, тремя длинами волн и поэтому могут быть использованы для количественного анализа только достаточно простых клеточных структур. Для исследований в более широком диапазоне использовалась система с 6-ю светодиодами (с полосой от 12 до 40 нм), спектр которых полностью охватывал видимый диапазон [V. Dubey, G. Singh, V. Singh, A. Ahmad, and D.S. Mehta, Appl. Opt. 55, 2521-2525 (2016)]. С учетом того, что фоновая засветка, вызванная паразитным рассеянием на элементах системы, пропорциональна спектральной ширине канала, такие достаточно большие значения приводят к снижению контраста регистрируемой интерференционной картины по сравнению с узкополосными аналогами, и, как следствие, к увеличению погрешности восстановления фазы. Кроме того, недостатками этого подхода являются дискретность и ограниченность выбора длин волн, а также использование подвижных элементов, что снижает быстродействие и к тому же требует дополнительной юстировки схемы при переключении между светодиодами.
Поэтому для исследования биообъектов представляет интерес создание систем, обладающих большим числом спектральных каналов, покрывающих широкий спектральный интервал. Примером технической реализации этой задачи является съемный модуль к микроскопу [Patent US 8837045; Н. Pham, В. Bhaduri, Н. Ding, and G. Popescu, Opt. Lett. 37, 3438 (2012)], который и был выбран в качестве прототипа предлагаемого устройства. Этот модуль использует источник белого света - галогеновую лампу, и дифракционную решетку, раскладывающую белый свет на спектральные составляющие. С помощью амплитудного пространственного селектора света в пучке 1-го порядка дифракции поочередно выделяются узкие спектральные интервалы и в каждом из них регистрируется интерференционная картина от выделенного пучка и от недифрагированного пучка (0-го порядка дифракции). По этим картинам численными методами количественно восстанавливается распределение фазы по сечению на каждой длине волны. Недостатками этого устройства являются наличие дополнительного механического селектора положения излучения требуемой длины волны, необходимость использования дополнительного оборудования - спектрометра - для калибровки с целью предварительного измерения положения (средней длины волны) выделяемых спектральных кривых, и необходимость регулировать размер диафрагмы в зависимости от параметров оптической системы. Все это приводит к ограничению области применения модуля, а достаточно большая ширина выделяемых спектральных каналов (~28 нм) - к невысокому контрасту регистрируемой интерференционной картины.
Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.
Техническим результатом изобретения является возможность получения изображений фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах в пределах широкого диапазона без использования подвижных, громоздких и дорогих оптико-электронных и механических компонентов.
Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ регистрации фазовых изображений микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах, состоящий в том, что прошедшее через микрообъект коллимированное широкополосное оптическое излучение фильтруется (выделяется одна спектральная компонента) и поляризуется с помощью перестраиваемого монохроматора и поляризатора и затем делится на два идентичных пучка, которые сводятся под углом и направляются на вход 4f-системы, в которой в плоскости промежуточного изображения осуществляется пространственная фильтрация одного из них с выделением в нем узконаправленного излучения в виде плоской волны, и регистрируют картину их интерференции матричным приемником излучения.
Последовательно перестраивая монохроматор в пределах его рабочего спектрального диапазона, регистрируют интерференционные картины в узких спектральных интервалах и путем цифровой обработки каждой из них вычисляют пространственное распределение в каждом спектральном интервале фазовой задержки и соответственно ее спектральную зависимость. Это позволяет определить величину и спектральную зависимость показателя преломления каждого элемента однородного по толщине исследуемого образца.
Пространственная фильтрация интерферирующих пучков в совмещенной фокальной плоскости пары линз 4f-системы осуществляется с помощью пространственного фильтра, представляющего собой экран с двумя круглыми отверстиями: 1) «точечным» (малого диаметра) для создания опорного плоского волнового фронта на выходе пространственного фильтра и 2) выделяющим полностью второй пучок для сохранения объектного волнового фронта (минимально достаточного диаметра).
Изобретение поясняется чертежом.
На Фиг. 1 показана структурная схема прибора, где 1 - широкополосный источник света, 2 - коллективная линза, 3 - диафрагма, 4 - конденсор, 5 - исследуемый объект, 6 - микрообъектив, 7, 11, 12 - зеркала, 8 - тубусная линза, 9 - поляризующий монохроматор, 10, 13 - светоделители, 14, 16 - линзы, 15 - пространственный фильтр, 17 - матричный приемник излучения, M - световой микроскоп, работающий «на просвет».
Осуществление изобретения
Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно элементов, составляющих схему светового микроскопа M: широкополосного источника света 1; линз 2 и 4 и диафрагмы 3, образующих коллимирующую систему; микрообъектива 6 и тубусной линзы 8; а также элементов, образующих дополнительный модуль к микроскопу: монохроматора с линейным поляризатором 9, системы из пары светоделителей 10, 13 и пары зеркал 11, 12, 4f-системы, состоящей из пары линз 14 и 16 и пространственного транспаранта (экрана) 15; матричного приемника излучения 17.
Отличием изобретения является то, что вместо дифракционной решетки, осуществляющей спектральную фильтрацию и угловое разделение световых пучков, установлены последовательно перестраиваемый узкополосный спектральный фильтр (монохроматор) и оптическая система из пары светоделителей 10, 13 и пары зеркал для разделения светового пучка на два и их последующего сведения в передней фокальной плоскости первой линзы 4f-системы. Из схемы исключено механическое устройство для селекции заданной спектральной компоненты (порядка дифракции), расположенное в плоскости промежуточного изображения 4f-системы. Устройство на основе предлагаемого метода отличается компактностью, высоким спектральным разрешением, большим числом (несколько сотен и даже тысяч) спектральных каналов, высоким отношением сигнал/шум за счет отсутствия создающих фон высших порядков дифракции, отсутствием подвижных элементов и необходимости использования дополнительных дорогостоящих компонентов (пространственного модулятора света, спектрометра и пр.).
В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант схемы, заключающийся в использовании в качестве поляризующего монохроматора 9 акустооптического перестраиваемого фильтра, выделяющего из падающего излучения заданный узкий спектральный интервал и линейную поляризацию.
Прибор работает следующим образом.
Исследуемый фазовый объект (образец) 5 устанавливают на предметный столик работающего «на просвет» светового микроскопа М. Излучение широкополосного источника света 1 собирается коллективом 2 в плоскости точечной диафрагмы 3, коллимируется конденсором 4 и направляется на исследуемый объект 5, расположенный в передней фокальной плоскости микрообъектива 6. Прошедшее через объект излучение проходит через микрообъектив 6 и направляется зеркалом 7 на тубусную линзу 8, после которой коллимированное излучение поступает на перестраиваемый монохроматор с линейным поляризатором 9, выделяющий из него заданный узкий спектральный интервал и линейную поляризацию. Узкополосное и линейно поляризованное излучение с помощью системы светоделителей 10, 13 и зеркал 11, 12 делится на два пучка примерно равной интенсивности, которые сводятся под некоторым углом, регулируемым наклоном светоделителя 13, на входе 4f-системы, состоящей из пары софокусных линз 14 и 16 и транспаранта 15. Транспарант в виде экрана с двумя отверстиями различного диаметра 15 выполняет роль пространственного фильтра. Точечное отверстие осуществляет пространственную фильтрацию одного из пучков, так что после линзы 16 он имеет плоский волновой фронт, образуя опорную волну. Второе отверстие полностью пропускает второй пучок, отрезая фоновое излучение, образующееся вследствие паразитного рассеяния на элементах системы, и тем самым сохраняет неизменным объектный волновой фронт. После линзы 16 интерферирующие объектный и плоский опорный световые пучки накладываются в плоскости матричного приемника излучения 17, регистрирующего интерференционную картину. Последовательно перестраивая монохроматор 9 в пределах рабочего спектрального диапазона, регистрируют интерференционные картины в узких спектральных интервалах и путем цифровой обработки каждой из этих картин вычисляют пространственное распределение фазы в соответствующем спектральном интервале, что позволяет определить на различных длинах волн показатель преломления всех элементов исследуемого образца (если он является однородным).
Claims (3)
1. Способ регистрации изображений оптически прозрачных фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах, заключающийся в том, что исследуемый объект освещают коллимированным пучком широкополосного света, рассеянное объектом излучение собирают микрообъективом, линейно поляризуют, монохроматизируют, выделяя одну спектральную компоненту, и делят его на два идентичных пучка, сводят эти пучки под углом и направляют на вход 4f-системы, осуществляют пространственную фильтрацию одного из них, преобразуя его в плоскую волну, регистрируют интерферограмму, образуемую этими пучками, повторяют эту процедуру для всех требуемых спектральных компонент.
2. Устройство для получения изображений оптически прозрачных фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах, состоящее из связанных оптически и расположенных последовательно светового микроскопа, работающего на просвет, 4f-системы, состоящей из пары линз и размещенного между ними экрана с двумя круглыми отверстиями разного диаметра, матричного приемника излучения, отличающееся тем, что между световым микроскопом и 4f-системой последовательно установлены поляризатор и монохроматор изображений и оптическая система для разделения светового пучка на два и их последующего сведения.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве монохроматора используется акустооптический перестраиваемый фильтр изображений, выделяющий из падающего излучения заданный узкий спектральный интервал и линейную поляризацию.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016140353A RU2626061C1 (ru) | 2016-10-13 | 2016-10-13 | Метод и устройство для регистрации изображений фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016140353A RU2626061C1 (ru) | 2016-10-13 | 2016-10-13 | Метод и устройство для регистрации изображений фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2626061C1 true RU2626061C1 (ru) | 2017-07-21 |
Family
ID=59495738
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016140353A RU2626061C1 (ru) | 2016-10-13 | 2016-10-13 | Метод и устройство для регистрации изображений фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2626061C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1524491A1 (en) * | 2003-10-16 | 2005-04-20 | Universite Libre De Bruxelles | Apparatus coupling an interferometer and a microscope |
US20090290156A1 (en) * | 2008-05-21 | 2009-11-26 | The Board Of Trustee Of The University Of Illinois | Spatial light interference microscopy and fourier transform light scattering for cell and tissue characterization |
RU2527316C1 (ru) * | 2013-05-15 | 2014-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Интерференционный микроскоп |
US8837045B2 (en) * | 2012-09-21 | 2014-09-16 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Diffraction phase microscopy with white light |
-
2016
- 2016-10-13 RU RU2016140353A patent/RU2626061C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1524491A1 (en) * | 2003-10-16 | 2005-04-20 | Universite Libre De Bruxelles | Apparatus coupling an interferometer and a microscope |
US20090290156A1 (en) * | 2008-05-21 | 2009-11-26 | The Board Of Trustee Of The University Of Illinois | Spatial light interference microscopy and fourier transform light scattering for cell and tissue characterization |
US8837045B2 (en) * | 2012-09-21 | 2014-09-16 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Diffraction phase microscopy with white light |
RU2527316C1 (ru) * | 2013-05-15 | 2014-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Интерференционный микроскоп |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10591417B2 (en) | Systems and methods for 4-D hyperspectral imaging | |
US10401738B2 (en) | Overlay metrology using multiple parameter configurations | |
CN108700460B (zh) | 成像系统和成像方法 | |
EP3465157B1 (en) | Systems and methods for 4-d hyperspectral imaging | |
US6128077A (en) | Confocal spectroscopy system and method | |
EP1983332B1 (en) | A spectroscopic imaging method and system for exploring the surface of a sample | |
US8269174B2 (en) | Method and apparatus for compact spectrometer for multipoint sampling of an object | |
EP1991844A2 (en) | Method and apparatus for compact spectrometer for detecting hazardous agents | |
US9494782B2 (en) | Device and method for microscopy using light with differing physical properties | |
WO2007101279A2 (en) | Method and apparatus for compact spectrometer with fiber array spectral translator | |
US11725987B2 (en) | Assembly for spectrophotometric measurements | |
CA2571473A1 (en) | Method and apparatus for dark field chemical imaging | |
US10156522B2 (en) | Parallel acquisition of spectral signals from a 2-D laser beam array | |
JP6255022B2 (ja) | 光学素子の配置を有する装置 | |
KR20150087578A (ko) | 회절 위상 현미경 시스템 및 이를 이용한 측정방법 | |
RU2626061C1 (ru) | Метод и устройство для регистрации изображений фазовых микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах | |
KR20150146075A (ko) | 공초점 분광 현미경 | |
CN110763341B (zh) | 一种Stokes-Mueller光谱成像系统和检测方法 | |
RU2608012C2 (ru) | Двухканальный дифракционный фазовый микроскоп | |
RU2673784C1 (ru) | Двухкомпонентный интерферометр общего пути | |
WO2022053649A1 (en) | Optical microscope for spectrally resolved imaging and method for such a microscope | |
RU199542U1 (ru) | Гиперспектральная насадка для оптического микроскопа | |
KR102442981B1 (ko) | 순간 라만 이미징 장치 | |
US20240053267A1 (en) | Data generation method, fluorescence observation system, and information processing apparatus | |
WO2024072303A1 (en) | An assembly for measurements of one or more optical parameters of a medium and a method of using the assembly |