Полнопольная сканирующая низкокогерентная микроинтерферометрия

Когерентно-оптические методы измерения и визуализации занимают особое место в ряду средств, позволяющих восстанавливать оптическую и геометрическую микроструктуру объектов, благодаря сочетанию неразрушающего принципа зондирования исследуемого объекта и достаточно высокой разрешающей способности [1, 2]. Наряду с хорошо известными и широко применяемыми методами визуализации, такими как микроскопия интерференционного и фазового контраста, конфокальная микроскопия, оптическая когерентная томография, в последнее время большое внимание уделяется возможности использования для исследования с высоким пространственным разрешением внутренней структуры объектов оптической интерференционной микроскопии [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14].

Одним из актуальных направлений в оптической интерферометрии является разработка методов и средств визуализации и измерения параметров геометрической формы и внутренней структуры биологических клеток.

Такие исследования имеют большое теоретическое и прикладное значение.

15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24]. Фундаментальный характер подобных исследований обусловлен необходимостью развития представлений о метаболических процессах и сопровождающих эти процессы изменениях клеточной структуры тканей [25, 26, 27, 28, 29, 30, 31]. Практическое же применение результатов исследования структуры биологических клеток заключается в возможности использования полученных данных в качестве инструмента для диагностики различного рода заболеваний или инструмента контроля в биоинженерии [32, 33, 34]. С другой стороны востребованным остается изучение рельефа поверхности и внутренней структуры объектов технического происхождения при производстве микроэлектроники и 4 оптических компонентов, контроле качества обработки поверхностей, покрытия их лакокрасочными материалами и др.

Микроинтерферометрия полного поля сочетает в себе высокое поперечное разрешение микроскопа с высоким продольным разрешением интерференционных методов измерения [6, 8, 9, 10, 11, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42]. Регистрация интерференционного сигнала по всему полю зрения микроскопа позволяет отказаться от поперечного сканирования объекта, благодаря чему уменьшается время исследования. Для сканирования объекта по глубине используют его контролируемое перемещение вдоль оптической оси, что позволяет получить информацию о форме его поверхности, рельефе, а также о внутренней структуре, в случае если объект достаточно прозрачен. л ^.

Использование широкополосного источника излучения позволяет получить ¦ Г ' продольную разрешающую способность системы порядка 1 мкм. Для регистрации сигнала применяются детекторы изображения матричного типа, регистрирующие интенсивность оптического излучения по всему ПОЛЮ зрения. Высокое пространственное разрешение делает метод сканирующей полнопольной микроинтерферометрии эффективным инструментом для изучения формы и внутренней структуры биологических объектов клеточного масштаба.

На сегодняшний день полнопольная микроинтерферометрия динамично развивается, повышается скорость и разрешающая способность благодаря использованию современных детекторов для регистрации сигнала, а также высокоточных и быстрых пьезопозиционеров. Реализованы технические решения, позволяющие получать информацию об объекте в трехмерном виде в режиме реального времени [13, 36, 39, 43, 44].

Повышение продольного разрешения микроинтерферометров достигается, в первую очередь, путем уменьшения длины временной когерентности излучения, формирующего интерференционный сигнал, что в свою очередь приводит к сужению интерференционного импульса. Для этого применяют источники излучения с широким частотным спектром, такие как галогенная лампа [9, 10, 38, 45], ксеноновая лампа [44, 46] или светодиод [4, 47].

Использование широкополосного излучения в интерферометре сопряжено с рядом особенностей, заключенных в спектральных свойствах используемой оптики, исследуемого объекта и используемого детектора. Сравнительно низкая цена и высокая производительность кремниевых детекторов изображения, созданных по технологии ПЗС или КМОП, способствует их широкому применению в низкокогерентных полнопольных системах, особенно в профилометрии, где оптическое излучение в объектном плече проходит только через воздушный слой, разделяющий объект и микрообъектив [3, 48, 49, 50].

С другой стороны в задачах томографирования биологических объектов предпочтительнее использование ближнего инфракрасного излучения, поскольку в диапазоне 0.8−1.3 мкм биологические ткани более прозрачны, чем в оптическом диапазоне [51]. Для удовлетворения этим условиям в ряде работ тепловые источники излучения, у которых значительная часть энергии приходится на ИК область спектра, используются с матричными детекторами на основе 1пОаАз [36, 43], спектр чувствительности которых охватывает диапазон 0.9−1.7 мкм. В некоторых системах были реализованы схемы одновременной регистрации сигнала как кремниевыми детекторами, так и детекторами на основе 1пОаАз [52]. В результате удается достигнуть значительной глубины проникновения сигнала в биоткань и исследовать ее внутреннюю структуру. Кроме того переход в ИК обеспечивает большее пространственное разрешение внутренних структур за счет меньшего рассеяния.

Область применения низкокогерентных микроинтерферометров определяет и используемые схемные решения, и применяемые компоненты. К наиболее распространенным оптическим схемам микроинтерферометров относятся схемы Миро и Линника. Андре Анри Миро, французский исследователь, предложил схему микроинтерферометра, который впоследствии был назван в его честь, в середине XX века. Фактически, весь интерферометр заключен в микрообъектив, в котором и формируется опорная волна. Для этого между объектом и первой линзой объектива на половине рабочего отрезка в плоскости перпендикулярной оптической оси расположено полупрозрачное зеркало. Прошедшее через него излучение отражается от объекта и формирует объектную волну. В то же время отраженное излучение падает на небольшое опорное зеркало, расположенное на внешней поверхности линзы объектива, и, отражаясь от него, формирует опорную волну. Изучение рельефа поверхности объекта реализуется путем перемещения объекта вдоль оптической оси.

К достоинствам такой схемы можно отнести наличие только одного микрообъектива, хотя и довольно сложного в изготовлении, что упрощает настройку и эксплуатацию прибора. Благодаря этому микроинтерферометры, построенные на основе схемы Миро, получили широкое распространение в профилометрии [53, 54, 55, 56, 57]. Основным их недостатком можно считать частичное перекрытие поля зрения микроинтерферометра опорным зеркалом, а также невозможность изготовления объективов Миро с большим увеличением. Сегодня на рынке представлены 10х, 20х, 40х и 50х объективы Миро.

Другой подход реализован в интерференционной схеме Линника, предложенной академиком АН СССР Владимиром Павловичем Линником в 1930;х годах. Его оптическая схема аналогична интерферометру Майкельсона. Излучение источника делится на две волны делительной призмой или делительной пластиной и направляется в опорное и объектное плечи интерферометра. В плечах расположены два идентичных микрообъектива, формирующих увеличенное изображение объекта и опорного зеркала в плоскости наблюдения. Сканирование объекта реализуется его перемещением относительно интерферометра.

Применение двух идентичных микрообъективов, а также делителя, рассчитанного на широкий спектральный диапазон излучения, удорожает схему. Кроме того, необходимо точное продольное осевое и поперечное позиционирование микрообъективов и согласование оптических путей в плечах интерферометра, что усложняет настройку и эксплуатацию прибора. Основными достоинствами схемы Линника являются возможность использования любых микрообъективов, в том числе высокоапертурных и иммерсионных, а также с любыми доступными увеличениями.

Схема Линника позволяет использовать в плечах интерферометра дополнительные оптические элементы, включая фильтры, поляризаторы и поворотные призмы [13, 36, 39, 43, 44, 46], адаптируя микроинтерферометр под различные задачи. Это, а также возможность использования иммерсионных микрообъективов и микрообъективов с большим увеличением, привело к широкому применению схемы Линника в задачах изучения биообъектов, их поверхности и внутренней структуры [40, 43, 44, 46, 52, 58].

Большинство современных микроинтерферометров основано на той или иной реализации метода фазовых шагов, предложенного в 1960;х годах [59, 60]. В основе метода лежит контролируемое перемещение объекта или опорного зеркала для изменения разности хода в интерферометре на известную величину, составляющую долю интерференционной осцилляции (полосы). Для каждого взаимного положения объекта и опорного зеркала фиксируется поперечное распределение интенсивности. Значения, соответствующие различным положениям, комбинируются в систему уравнений, решение которой позволяет вычислить фазовый профиль поверхности объекта с точностью до периода интерференционной осцилляции [61, 62, 63]. Именно такой подход реализован во многих современных профилометрах [64, 65, 66, 67, 68]. С другой стороны, используя аналогичный подход, можно восстановить огибающую интерференционного импульса [52, 69, 70]. Определение ее положения легло в основу сканирующей полнопольной интерферометрии внутренней структуры объектов.

За последнюю декаду глубина зондирования рассеивающих сред системами низкокогерентной микроинтерферометрии достигла нескольких сот микрон [40, 42, 52]. При этом продольное разрешение систем достигает единиц микрометров, а в некоторых случаях удается получить субмикронное разрешение. Поперечное разрешение микрГ8интерференционных систем определяется разрешением используемого микроскопа, которое зависит от спектра излучения и характеристик оптики. Кроме того на него оказывает влияние дисперсия, возникающая в зондируемом объекте [40], и рассогласование когерентной и фокальной плоскости [71]. С учетом этого влияния поперечное разрешение низкокогерентных микроинтерферометрических систем составляет несколько микрометров. и 1.

Любая задача наблюдения и регистрации явления интерференции света предполагает использование детектора излучения, будь то человеческий глаз, фотопластина или матрица цифрового фотоаппарата. Следовательно, интерференционная картина определяется не только свойствами источника излучения, параметрами оптической схемы и структурой объекта исследования, но и характеристиками применяемого детектора. Использование современных цифровых систем регистрации, обработки и И 5* визуализации интерференционных картин требует учета спектральных и пространственных параметров матричных фотодетекторов при качественном и количественном анализе интерферограмм, особенно в полихроматическом свете.

В низкокогерентной интерферометрии используются широкополосные источники, ширина спектра излучения которых зачастую превышает и ширину спектра чувствительности детекторов, и ширину спектра пропускания оптических элементов. В этом случае требуется учитывать все особенности эффективного спектра, который может значительно отличаться от гауссового. В работах [40, 46, 52, 58] сделаны подобные оценки используемых экспериментальных установок, однако подробного анализа зависимости эффективного спектра излучения и связанного с ним продольного разрешения системы от различных условий освещения и детектирования сигнала в литературе не представлено.

Решение вышеописанных проблем и вопросов является актуальным и определило цель настоящей диссертационной работы.

Цель диссертационной работы состояла в разработке и практической реализации сканирующего полнопольного низкокогерентного микроинтерферометра для исследования объектов технического и биологического происхождения, а так же в разработке теории формирования интерференционных изображений в полнопольном интерферометре.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Развитие теории формирования изображений слоистых объектов в интерференционном микроскопе с учетом эффектов поперечной и продольной когерентности, описание интерференционной картины, формируемой тремя и более оптическими волнами.

• Создание и апробация сканирующего полнопольного низкокогерентного микроинтерферометра для исследования технических и биологических объектов, изучения рельефа их поверхности, а также внутренней структуры.

• Разработка алгоритмов решения обратной задачи в сканирующей интерференционной микроскопии слоистых микрообъектов, и разработка программного комплекса, позволяющего визуализировать, анализировать и проводить количественные измерения параметров микроформы и.

10 микроструктуры объектов технического и биологического происхождения.

Анализ взаимного влияния спектральных свойств матричного кремниевого детектора и источника излучения на регистрируемую низкокогерентную интерференционную картину.

Установление физических особенностей использования цветных датчиков изображения в низкокогерентной интерферометрии, I. установление влияния спектральных параметров таких датчиков на формируемые в низкокогерентной интерферометрии сигналы и изображения в полихроматическом свете. артн.

Научная новизна работы:

Развита теория формирования изображений слоистых объектов в низкокогерентной микроинтерферометрии с учетом эффектов пространственной когерентности для случая интерференции трех и более оптических полей.

Разработан алгоритм решения обратной задачи в сканирующей полнопольной микроинтерферометрии, разработано программное обеспечение, позволяющее проводить исследования объектов биологического и технического происхождения на сканирующем полнопольном микроинтерферометре.

I ' к.

Разработаны теоретические основы и проведен анализ взаимного влияния источника излучения, детектора и, непосредственно, интерферометра, на спектральный состав излучения, формирующего интерференционную картину и связанный ним интерференционный сигнал. Разработаны теоретические основы и проведен анализ эффектов, связанных с использованием цветного датчика изображения для регистрации интерференционного сигнала.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

4.4 Выводы.

В данной главе изложены результаты исследований проявления в интерференционном эксперименте эффектов, связанных с особенностями цветных датчиков изображения. Рассмотрены механизмы формирования цветных изображений, влияние спектрального состава освещения на интерференционный сигнал, а также проявление цветокоррекции в сигнале. Выполнено моделирование эффективных спектров излучения, формирующего интерференционный сигнал в каждом из цветовых каналов датчика изображения. Исследовано влияние цветовой температуры источника излучения на эффективный спектр и функцию когерентности.

В результате проведенных исследований установлено, что цветовая температура источника излучения оказывает влияние на центральную длину волны и ширину эффективного спектра, а также на ширину огибающей функции когерентности при регистрации сигнала цветной ПЗС или КМОП камерой. Это влияние незначительно для ОКТ в практически реализуемых условиях освещения при цветовой температуре источника в диапазоне 19 002 800 К (температура лампы накаливания).

Кроме того выявлено, что параметры наблюдаемого в микроинтерферометре в полихроматическом свете интерференционного сигнала зависят от настройки баланса белого цветного датчика изображения. При этом реализуется возможность достижения оптимальных для данных условий эксперимента настроек, обеспечивающих минимальную ширину огибающей импульса или отсутствие вторичных максимумов.

Заключение

.

Разработан полнопольный сканирующий низкокогерентный микроинтерферометр на базе МИИ-4, предназначенный для изучения рельефа поверхности и внутренней структуры объектов биологического и технического происхождения.

Сформулированы выражения, описывающие интерференционный сигнал от сложного многослойного объекта, наблюдаемый в полнопольном интерферометре, когда требуется определить вклад многих слоев объекта в.

1 МП-. результирующую картину интерференционных полос. Полученные выражения позволяют проводить расчеты и компьютерное моделирование интерференционных картин.

Представлен алгоритм решения обратной задачи в сканирующей полнопольной микроинтерферометрии и' описано разработанное лпрограммное обеспечение, позволяющее проводить исследования объектов биологического и технического происхождения на сканирующем полнопольном микроинтерферометре. Предложена методика восстановления и визуализации внутренней структуры и рельефа поверхности, реализованы алгоритмы машинного зрения.

Представлен анализ взаимного влияния различных элементов, входящих в состав микроинтерференционной установки, таких как источник излучения, детектор и, непосредственно, интерферометр, на спектральный состав излучения, формирующего интерференционную картину.

— I.

Установлено влияние спектра пропускания оптических элементов микроинтерферометра на эффективный спектр излучения.

Смоделированы эффективные спектры, формирующие интерференционную картину, для практически достижимых цветовых температур теплового источника излучения: 1900К и 2800К. Установлено.

117 влияние цветовой температуры на форму, центральную длину волны и ширину эффективного спектра. Так же построены функции когерентности, соответствующие рассмотренным параметрам освещения и показана зависимость ширины огибающей от цветовой температуры источника излучения. Полученные в ходе компьютерного моделирования результаты подтверждены экспериментально.

Установлено, что цветовая температура источника излучения оказывает влияние на центральную длину волны и ширину эффективного спектра, а так же на ширину функции когерентности при регистрации сигнала цветной ПЗС или КМОП камерой." Это" влияние незначительно для ОКТ в практически реализуемых условиях освещения при цветовой температуре источника в диапазоне.

1900Ж)0 К (температура лампы накаливания).

Выявлено, что параметры наблюдаемого в микроинтерферометре в полихроматическом свете интерференционного сигнала зависят от настройки баланса белого цветного датчика изображения. При этом реализуется возможность достижения оптимальных для данных условий эксперимента настроек, обеспечивающих минимальную ширину огибающей импульса или отсутствие вторичных максимумов.

По результатам работы опубликованы статьи в реферируемых изданиях и журналах:

1. Лычагов В. В., Кальянов А. Л., Лякин Д. В., Рябухо В. П. Метод дистанционной диагностики внутренней структуры слоистых сред // Квантовая электроника. 2008. Т.38. В.6. С. 563−569.

2. Рябухо В. П., Кальянов А. Л., Лякин Д! В., Лычагов В. В. Влияние ширины контура частотного спектра на поперечную когерентность оптического поля // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 108, № 6. С. 979 985.

3. Лычагов В. В., Кальянов А. Л., Рябухо В. П. Низкокогерентная микроинтерферометрия внутренней структуры кристаллизовавшейся плазмы крови // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107, № 6. С. 909−916.

4. Кальянов А. Л., Лычагов В. В., Малинова Л. И., Пайзиев А. А., Рябухо В. П. Низкокогерентная полнопольная интерферометрия объемной структуры кристаллизовавшейся капли солевого раствора белка // Компьютерная оптика. 2010. Т. 34, № 1. С. 90−100.

5. Лычагов В. В., Рябухо В. П., Кальянов А. Л., Смирнов И. В. Низкокогерентная интерферометрия слоистых структур в полихроматическом свете с цифровой записью и обработкой интерферограмм // Компьютерная оптика. 2010. Т. 34, № 4. С. 511−523.

6. Lychagov V.V., Kalyanov A.L., Lyakin D.V., Ryabukho V.P., Sokolov S.N. «Correlation technique for exploration of local features of emission spectrum of laser and superluminescence diodes» in Saratov Fall Meeting 2006: Coherent Optics of Ordered and Random Media VII, edited by Dmitry A. Zimnyakov, Nikolai G. Khlebtsov, Proceedings of SPIE Vol. 6536 (SPIE, Bellingham, WA 2007).

7. Kalyanov A.L., Lychagov V.V., Lyakin D.V., Ryabukho V.P. «Effects of spatial and temporal coherence of optical wide frequency and angle spectrum fields in Michelson interferometer» in Interferometry XIII: Techniques and Analysis, edited by Katherine Creath, Joanna Schmit, Proceedings of SPIE Vol. 6292 (SPIE, Bellingham, WA 2006).

8. Kalyanov, A. L., Lychagov, V. V., Lyakin, D. V., Ryabukho, V. P. «Method for distant diagnostics of layered media inner structure». Proceedings of i.

SPIE Vol. 7063: Interferometry XIV: Techniques and Analysis, edited by Joanna Schmit, Katherine Creath, Catherine E. Towers, (SPIE, Bellingham, WA 2008) 7063 ID.

Две работы приняты в печать:

1. Кальянов А. Л., Лычагов В. В., Смирнов И. В., Рябухо В. П. Проявление спектральных свойств монохромного детектора в интерференционном эксперименте / Известия СГУ, серия «Физика». — 2011 год. — принята в печать.

2. Кальянов А. Л., Малинова Л. И., Боголюбова Е. В., Смирнов И. В., Лычагов В. В., Рябухо В. П. Исследование комплекса «эритроцитплазма» нативного мазка крови человека методом полнопольной микроинтеферометрии в белом свете / Известия СГУ, серия «Физика». -2011 год. — принята в печать.