Проект
«Оптические когерентные методы на основе мультиспектрального и структурированного излучения для комплексного исследования биообъектов»
Проект направлен на развитие технологий цифровой голографии, а именно количественной фазовой микроскопии – измерения спектральной зависимости пространственного распределения фазовой задержки, вносимой прозрачным микрообъектом в распространяющееся через него оптическое излучение. Поскольку фазовая задержка в каждой точке исследуемого объекта пропорциональна оптической длине пути прошедшего через него света, то, используя полученное распределение фазовой задержки, при известной толщине образца возможно вычисление пространственного распределения интегрального показателя преломления, а при известном распределении показателя преломления – распределение толщины. Если априорная информация о пространственном распределении толщины отсутствует, то одним из способов получения информации о показателе преломления является регистрация и обработка голографических изображений на нескольких длинах волн. В случае, если показатель преломления исследуемого объекта и, как следствие, вносимая им фазовая задержка имеют характерную спектральную зависимость, которая может быть использована в задачах идентификации объекта и анализа протекающих в нем процессов, целесообразно проводить измерения на многих длинах волн, в том числе на конкретных, определяемых составом объекта.
Предложенные методы регистрации мультиспектральных цифровых голографических изображений обладают недостатками, ограничивающими их область применения: небольшое число рабочих длин волн, необходимость механического перемещения компонентов или переключения источников, что не позволяет работать с быстро меняющимися объектами. В настоящем проекте был предложен новый метод однокадровой мультиспектральной цифровой голографической микроскопии на основе многочастотной акустооптической (АО) фильтрации широкополосного излучения, одновременной регистрации нескольких спектральных цифровых голограмм одним матричным приемником излучения и их цифровой обработки (рис. 1).
1 – широкополосный источник света, 2 – коллимирующая оптическая система,
3 – АО фильтр-полихроматор, 4 – двухлучевой интерферометр,
5 – исследуемый объект, 6 – матричный приемник излучения
Для реализации данного подхода в рамках данного проекта была разработана и собрана установка на основе широкополосного источника излучения (генератора суперконтинуума), четырехканального АО фильтра-полихроматора и интерферометра Маха-Цендера, включающего микрообъективы и тубусные линзы (рис. 2).
ШИИ – широкополосный источник излучения, З – зеркала, АОФ – акустооптический фильтр, ПК – призма-компенсатор, Д – диафрагмы, СД – светоделители, Л – линзы,
О – образец, ПС – предметное стекло, МО – микрообъективы, ТС – тубусные линзы,
ПР – дисперсионная призма, ППП – плоско-параллельная пластина,
УС – увеличивающая система, ВК – видеокамера
Установка цифровой голографической микроскопии обеспечивает возможность как последовательной, так и одновременной регистрации цифровых голографических изображений микрообъектов в узких спектральных интервалах в пределах широкого спектрального диапазона. На рис. 3 показан результат измерения на нескольких длинах волн пространственного распределения фазовой задержки, вносимой в световую волну эритроцитами крови человека. Видно, что увеличение числа одновременно регистрируемых спектральных каналов не приводит к существенному снижению качества восстанавливаемых изображений.
В эксперименте с тест-объектом в виде прозрачной рельефной штриховой миры с периодом 7,2 мкм и глубиной 300 нм было показано, что использование дисперсионной призмы в опорном канале интерферометра и поворот АОФ на угол до 15° позволяет в четырехволновом режиме достичь точность измерения рельефа, сопоставимую с точностью, получаемую в классическом одноволновом режиме, однако в отличие от последнего регистрация всех спектральных голограмм производится синхронно и объем регистрируемых данных сокращается в 4 раза (рис. 4).
а) карта рельефа, измеренная с помощью оптического профилометра, б) спектральная зависимость показателя преломления материала тест-объекта, в) карта рельефа, измеренная с помощью предложенного метода, г) карта ошибки рельефа и значения среднеквадратического отклонения
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены основные соотношения и проанализированы ограничения для внеосевых методов многоволновой цифровой голографии с широкополосным источником излучения и акустооптическим фильтром. Показано, что длину когерентности и ширину эффективного поля зрения можно увеличивать при изменении геометрии акустооптического взаимодействия, в частности, за счет поворота АО фильтра. Использование схемы с АО фильтром и дисперсионной призмой позволяет адаптировать количество одновременно регистрируемых спектральных каналов под характеристики объекта, находя компромисс между пространственным разрешением и скоростью регистрации.