RU2758151C1

RU2758151C1 - Method for single-frame registration of several spectral digital holographic images

Info

Publication number: RU2758151C1
Application number: RU2021105453A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Мачихин; Ольга Валерьевна Польщикова; Витольд Эдуардович Пожар
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2021-10-26

Abstract

FIELD: optical digital holography.

SUBSTANCE: invention relates to optical digital holography technologies and is intended for recording spectral digital holographic images. The method for recording phase images of micro-objects in arbitrary narrow spectral intervals consists in the formation of a collimated light beam of broadband radiation, the isolation of a set of several wavelengths from it using an acousto-optic polychromator filter, the direction of filtered radiation to the input of a two-beam interferometer, in one of the channels of which the object under study is located, the reduction of wave fronts from the object and reference arms of the interferometer, the registration of interference of these fronts by a monochrome matrix radiation receiver. In this case, the integral intensities of the transmission windows of the acousto-optic filter and their frequency positions are selected so that the Fourier images of interferograms formed by radiation from different spectral transmission windows are close in intensity and spaced by position in the Fourier plane so that they can be isolated separately. By digitally processing each of them, the spatial distribution of the phase delay introduced by the object under study is calculated, and, as a consequence, the spectral dependence of this value at each point of the object.

EFFECT: increased speed of data collection and reduced error of restoring the amplitude-phase structure of the studied objects due to the joint processing of several spectral holograms.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологиям оптической цифровой голографии и предназначено для регистрации спектральных цифровых голографических изображений.SUBSTANCE: invention relates to optical digital holography technologies and is intended for registration of spectral digital holographic images.

Известны методы и устройства, в которых регистрируется цифровая голограмма, содержащая информацию о двумерном распределении фазовой задержки световой волны, вносимой оптически прозрачным объектом, а соответственно, о поперечном распределении оптической толщины объекта, что позволяет определить некоторые свойства объекта, например, локальные значения толщины или показателя преломления.Methods and devices are known in which a digital hologram is recorded containing information on the two-dimensional distribution of the phase delay of the light wave introduced by an optically transparent object, and, accordingly, on the transverse distribution of the optical thickness of the object, which makes it possible to determine some properties of the object, for example, local values of the thickness or index refraction.

Известны также методы и устройства, в которых регистрируются цифровые голограммы на нескольких разных длинах волн. Данные методы и устройства предназначены для целого ряда задач: для получения цветных амплитудных изображений, для определения спектральной зависимости фазовой задержки или показателя преломления, что может быть использовано для качественного и количественного анализа локального состава объекта и выявления его структуры.There are also known methods and devices in which digital holograms are recorded at several different wavelengths. These methods and devices are intended for a number of tasks: for obtaining color amplitude images, for determining the spectral dependence of the phase delay or refractive index, which can be used for qualitative and quantitative analysis of the local composition of an object and revealing its structure.

Последовательная регистрация требует переключения длины волны излучения в оптической системе. Это может быть реализовано разными способами: путем изменения длины волны перестраиваемого лазера [US 7127109 В1], или включением и выключением нескольких фиксированных узкополосных источников, излучение которых сведено в один пучок [US 6809845 B1, KR 101125842 B1], или выделением при помощи подвижной амплитудной маски спектральных каналов в дифракционном спектре разложения широкополосного излучения [US 8837045 B2]. Эти методы, однако, непригодны для изучения быстропротекающих процессов.Sequential registration requires switching the radiation wavelength in the optical system. This can be implemented in different ways: by changing the wavelength of a tunable laser [US 7127109 B1], or by turning on and off several fixed narrow-band sources, the radiation of which is combined into one beam [US 6809845 B1, KR 101125842 B1], or by using a moving amplitude masks of spectral channels in the diffraction spectrum of the decomposition of broadband radiation [US 8837045 B2]. These methods, however, are unsuitable for studying fast processes.

В этом случае необходимо реализовать одновременную регистрацию, для чего необходимо одновременно излучать формировать несколько спектральных компонент и одновременно их селективно регистрировать. Это осуществляют с помощью многоканальных схем, например, для создания многоволнового источника излучения используют комбинацию двух [US 7312875 B2, US 7349100 B2] или трех [US 7978336 B2] лазеров либо нескольких светодиодов [US 8325400 B2].In this case, it is necessary to implement simultaneous registration, for which it is necessary to simultaneously emit and form several spectral components and simultaneously selectively register them. This is done using multichannel circuits, for example, to create a multiwave radiation source, a combination of two [US 7312875 B2, US 7349100 B2] or three [US 7978336 B2] lasers or several LEDs [US 8325400 B2] is used.

Для одновременной регистрации применяют как приемники излучения с цветным мозаичным растром (пространственно-чередующемся множестве спектральных фильтров) с двумя [RU 2608012 C2], тремя [US 8325400 B2] и более [RU 2713567 C1] спектральными каналами, так и монохромные матричные приемники излучения [US 7116425 В2, US 10488175 B2]. В первом случае селекцию длин волн обеспечивает цветной мозаичный фильтр. При использовании монохромной матрицы селекция осуществляется пространственным разделением каналов, что приводит к различию ориентации интерференционных полос голограммы, и соответствующим разделением спектральных компонент в фурье-спектре при цифровой обработке голограммы.For simultaneous registration, both radiation receivers with a color mosaic raster (a spatially alternating set of spectral filters) with two [RU 2608012 C2], three [US 8325400 B2] and more [RU 2713567 C1] spectral channels are used, as well as monochrome matrix radiation receivers [ US 7116425 B2, US 10488175 B2]. In the first case, the wavelength selection is provided by a color mosaic filter. When using a monochrome matrix, the selection is carried out by spatial separation of channels, which leads to a difference in the orientation of the interference fringes of the hologram, and the corresponding separation of the spectral components in the Fourier spectrum during digital processing of the hologram.

К недостаткам многоканальных схем относится их сложная конструкция и относительно большие габариты, и особенно, сложности сведения спектральных каналов и необходимость прецизионной юстировки и ее сохранения в ходе работы. Дополнительные конструктивные проблемы создает схема с пространственным разнесением каналов для их регистрации на монохромную матрицу.The disadvantages of multichannel circuits include their complex design and relatively large dimensions, and especially the complexity of converging spectral channels and the need for precision alignment and its preservation during operation. Additional design problems are created by the scheme with spatial diversity of channels for their registration on a monochrome matrix.

Использование приемников с цветным мозаичным растром имеют целый ряд недостатков. Во-первых, он страдает от спектральных помех, обусловленных перекрытием кривых пропускания каждого цветного фильтра мозаичного растра, что приводит к зашумлению основного сигнала интерференционными картинами в соседних спектральных интервалах. Во-вторых, число спектральных каналов, как правило, невелико, т.к. уже при 4-х каналах спектральное изображение формируется пикселами матрицы, расположенными через один, т.е. с пропусками. В-третьих, связанная с этим необходимость пространственной интерполяции данных вызывает артефакты в восстановленных амплитудных и фазовых изображениях. Это существенно снижает качество, в частности, разрешение регистрируемых спектральных голографических изображений.The use of color mosaic receivers has a number of disadvantages. First, it suffers from spectral interference caused by the overlap of the transmission curves of each color filter of the mosaic raster, which leads to noise of the main signal by interference patterns in adjacent spectral intervals. Secondly, the number of spectral channels, as a rule, is small, since already with 4 channels, the spectral image is formed by matrix pixels located after one, i.e. with passes. Third, the associated need for spatial data interpolation causes artifacts in the reconstructed amplitude and phase images. This significantly reduces the quality, in particular, the resolution of the recorded spectral holographic images.

Одним из технических решений, позволяющих избежать недостаток многоканальных схем, является способ формирования многоволнового источника излучения за счет фильтрации широкополосного излучения акустооптическим (АО) фильтром, работающим в режиме полихроматора [RU 2713567 C1]. При этом разделение спектральных интерференционных картин осуществляется с помощью камеры с мультиспектральным мозаичным фильтром, который определяет количество спектральных каналов и их положение в спектре. Этот способ таким образом сохраняет все ограничения и недостатки методов, использующих мозаичный растр.One of the technical solutions to avoid the disadvantage of multichannel circuits is a method of forming a multiwave radiation source by filtering broadband radiation with an acousto-optic (AO) filter operating in the polychromator mode [RU 2713567 C1]. In this case, the separation of spectral interference patterns is carried out using a camera with a multispectral mosaic filter, which determines the number of spectral channels and their position in the spectrum. This method thus retains all the limitations and disadvantages of the mosaic methods.

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

Техническим результатом изобретения является возможность одновременной регистрации множества цифровых голографических изображений в узких спектральных интервалах в пределах широкого диапазона без спектральной перестройки с помощью монохромного матричного приемника излучения, что позволяет повысить скорость сбора данных и снизить погрешности восстановления амплитудно-фазовой структуры исследуемых объектов за счет совместной обработки нескольких спектральных голограмм.The technical result of the invention is the possibility of simultaneous registration of a plurality of digital holographic images in narrow spectral intervals within a wide range without spectral restructuring using a monochrome matrix radiation detector, which makes it possible to increase the speed of data collection and reduce errors in the reconstruction of the amplitude-phase structure of the objects under study due to the joint processing of several spectral holograms.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ регистрации фазовых изображений микрообъектов в произвольных узких спектральных интервалах, состоящий в формировании коллимированного светового пучка широкополосного излучения, выделении из него совокупности нескольких длин волн с использованием АО фильтра-полихроматора, направлении отфильтрованного излучения на вход двухлучевого интерферометра, в одном из каналов которого располагается исследуемый объект, сведении волновых фронтов из объектного и опорного плеч интерферометра, регистрации интерференции этих фронтов монохромным матричным приемником излучения.To solve the specified technical problem with the achievement of the specified technical result, a method is used for recording phase images of micro-objects in arbitrary narrow spectral intervals, consisting in the formation of a collimated light beam of broadband radiation, the selection of a set of several wavelengths from it using an AO filter-polychromator, the direction of filtered radiation to the input a two-beam interferometer, in one of the channels of which the object under study is located, convergence of wave fronts from the object and reference arms of the interferometer, registration of the interference of these fronts with a monochrome matrix radiation detector.

При этом интегральные интенсивности окон пропускания АО фильтра и их положения по частоте подбираются так, что фурье-образы интерферограмм, сформированных излучением из различных спектральных окон пропускания, близки по интенсивности и разнесены по положению в фурье-плоскости так, что могут выделены по отдельности. Путем цифровой обработки каждой из них вычисляют пространственное распределение фазовой задержки, вносимой исследуемым объектом, и, как следствие, спектральную зависимость этой величины в каждой точке объекта.In this case, the integral intensities of the transmission windows of the AO filter and their frequency positions are selected so that the Fourier images of the interferograms formed by radiation from different spectral transmission windows are close in intensity and spaced apart in position in the Fourier plane so that they can be isolated separately. By digital processing of each of them, the spatial distribution of the phase delay introduced by the object under study is calculated, and, as a consequence, the spectral dependence of this quantity at each point of the object.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated by a drawing.

На Фиг. 1 показана структурная схема, поясняющая описанный метод, где 1 - широкополосный источник света, 2 - коллимирующая оптическая система, 3 - АО фильтр-полихроматор, 4 - двухлучевой интерферометр, 5 - исследуемый объект, 6 - монохромный матричный приемник излучения. Спектры показывают спектральный состав излучения до и после полихроматора. Показано фурье-преобразование зарегистрированной мультиспектральной цифровой голограммы, из которого путем цифровой обработки могут быть выделены интерференционные картины, соответствующие различным длинам волн: λ₁, λ₂…λ_N.FIG. 1 shows a block diagram explaining the described method, where 1 is a broadband light source, 2 is a collimating optical system, 3 is an AO filter-polychromator, 4 is a two-beam interferometer, 5 is an object under study, 6 is a monochrome matrix radiation detector. The spectra show the spectral composition of the radiation before and after the polychromator. The Fourier transform of the registered multispectral digital hologram is shown, from which, by digital processing, interference patterns corresponding to different wavelengths can be extracted: λ ₁ , λ ₂ ... λ _N.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно элементов: широкополосного источника света 1; коллимирующей оптической системы 2, обеспечивающей светоэнергетическое сопряжение источника света 1 и АО фильтра-полихроматора 3, двухлучевого интерферометра 4, в одном из плеч которого установлен исследуемый объект 5; монохромного матричного приемника излучения 6.The invention can be implemented on the basis of a device consisting of optically coupled and sequential elements: a broadband light source 1; collimating optical system 2, providing light-energy coupling of the light source 1 and AO filter-polychromator 3, two-beam interferometer 4, in one of the arms of which the object under study 5 is installed; monochrome matrix radiation detector 6.

Отличием изобретения является то, что АО фильтр-полихроматор имеет эквидистантное по оптической частоте расположение окон пропускания с коэффициентами пропускания, регулируемыми за счет изменения подаваемой мощности ультразвука, а в качестве матричного приемника излучения 6 используется монохромный матричный приемник излучения. Интегральные интенсивности окон пропускания АО фильтра и их положения по частоте подбираются так, что фурье-образы интерферограмм, сформированных излучением из различных спектральных окон пропускания, близки по интенсивности и разнесены по положению в фурье-плоскости. Устройство на основе предлагаемого метода отличается высокой скоростью регистрации, определяемой только временем экспонирования приемника излучения, компактностью, высоким спектральным разрешением, отсутствием подвижных элементов. Пространственное разрешение устройства не ограничено наличием цветного мозаичного растра, и, как следствие, с его помощью можно восстанавливать изображения более высокого качества.The difference of the invention is that the AO filter-polychromator has an equidistant optical frequency arrangement of transmission windows with transmission coefficients controlled by changing the supplied ultrasound power, and a monochrome matrix radiation detector is used as a matrix radiation detector 6. The integral intensities of the transmission windows of the AO filter and their frequency positions are selected so that the Fourier images of interferograms formed by radiation from different spectral transmission windows are close in intensity and spaced apart in position in the Fourier plane. The device based on the proposed method is distinguished by a high registration speed, determined only by the exposure time of the radiation receiver, compactness, high spectral resolution, and the absence of moving elements. The spatial resolution of the device is not limited by the presence of a color mosaic raster, and, as a result, it can be used to recover images of higher quality.

В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант схемы, заключающийся в использовании в качестве интерферометра 4 - интерферометра Маха-Цендера, а в качестве фильтра-полихроматора - АО перестраиваемого фильтра 3, работающего в режиме многочастотной (полихроматической) генерации, выделяющего из поступающего на его вход излучения набор заданных узких спектральных интервалов и одно направление поляризации. Количество спектральных интервалов и их центральные длины волн должны выбираться заранее, исходя из параметров и свойств объекта исследования с учетом возможности разделения соответствующих им пиков в фурье-спектре голограммы. Мощность ультразвуковых волн, соответствующих различным окнам пропускания, задается по результатам расчета, моделирования или подбирается интерактивно с целью обеспечения близких интенсивностей амплитуд фурье-образов всех спектральных интерферограмм.In a preferred embodiment, a variant of the scheme is implemented, which consists in using a Mach-Zehnder interferometer as an interferometer 4, and an AO tunable filter 3 operating in a multifrequency (polychromatic) generation mode as a polychromator filter, which selects a set of given narrow spectral intervals and one direction of polarization. The number of spectral intervals and their central wavelengths should be selected in advance, based on the parameters and properties of the research object, taking into account the possibility of separating the corresponding peaks in the Fourier spectrum of the hologram. The power of ultrasonic waves corresponding to different transmission windows is set according to the results of calculation, simulation, or is selected interactively in order to ensure similar intensities of the amplitudes of the Fourier transforms of all spectral interferograms.

В альтернативном варианте осуществления, обеспечивающем большее число спектральных каналов, реализуется вариант схемы, в котором за АО фильтром-полихроматором располагается АО спектральный делитель, отклоняющий излучение, соответствующее четным спектральным каналам, выделяемым фильтром-полихроматором, пропускающий остальное излучение и ориентированный так, что плоскость дифракции излучения в нем перпендикулярна плоскости дифракции излучения в фильтре-полихроматоре.In an alternative embodiment, providing a larger number of spectral channels, a variant of the scheme is implemented in which an AO spectral divider is located behind the AO filter-polychromator, deflecting radiation corresponding to even spectral channels allocated by the filter-polychromator, transmitting the rest of the radiation and oriented so that the diffraction plane radiation in it is perpendicular to the plane of diffraction of radiation in the polychromator filter.

Система работает следующим образом.The system works as follows.

Исследуемый объект 5 устанавливают в объектное плечо интерферометра 4. Задают N частот ультразвука, подаваемых на АО ячейку 3 и соответствующих требуемым длинам волны света. На выходе интерферометра 4 появляются два совмещенных световых одинаково поляризованных пучка, формирующие N интерференционных картин. Все эти картины регистрируется одновременно одним монохромным матричным приемником излучения 6 за счет мультиплексирования сигналов с разной несущей частотой. В дальнейшем для получения спектральной зависимости пространственного распределения фазовой задержки, внесенной объектом, каждый из этих сигналов выделяют за счет разделения соответствующих им пиков в фурье-спектре голограммы и подвергают цифровой обработке по отдельности.The investigated object 5 is installed in the object arm of the interferometer 4. Set N frequencies of ultrasound supplied to the AO cell 3 and corresponding to the required wavelengths of light. At the output of interferometer 4, two aligned light equally polarized beams appear, forming N interference patterns. All these patterns are recorded simultaneously by one monochrome matrix radiation detector 6 by multiplexing signals with different carrier frequencies. Subsequently, to obtain the spectral dependence of the spatial distribution of the phase delay introduced by the object, each of these signals is isolated by separating the corresponding peaks in the Fourier spectrum of the hologram and subjected to digital processing separately.

В ходе предварительной оптимизации системы длины волн, выделяемые АО фильтром-полихроматором, могут индивидуально подстраиваться, каждая в пределах, допускающих отдельную обработку сигнала, для получения максимального парциального сигнала или минимизации фоновой засветки и других помех.During the preliminary optimization of the system, the wavelengths allocated by the AO filter-polychromator can be individually adjusted, each within the limits allowing separate signal processing, in order to obtain the maximum partial signal or to minimize the background illumination and other interference.

Claims

1. The method of single-frame registration of several spectral digital holographic images, which consists in the formation of a collimated light beam of broadband radiation, its spectral filtering by an acousto-optic polychromator filter with a separation of linear polarization, passing it through a two-beam interferometer, in one of the arms of which the analyzed object is located, convergence of wave fronts from the object and reference arms of the interferometer with the formation of an interference pattern, digital registration of the interference pattern using a matrix radiation detector; characterized in that the transmission windows of the acousto-optic polychromator filter are arranged equidistantly along the optical frequency, and the transmission coefficients are equalized by adjusting the supplied ultrasound power; registration of radiation is carried out by a monochrome matrix receiver without a mosaic spectral raster.

2. The method according to claim 1, characterized in that behind the acousto-optic polychromator filter there is an acousto-optic spectral divider that deflects the radiation corresponding to the even spectral channels of the polychromator filter in a plane perpendicular to its diffraction plane and transmits the rest of the radiation without changing its direction distribution.