Способ регистрации голографических изображений объектов

Изобретение относится к технологиям цифровой голографии и предназначено для измерения пространственного распределения фазовой задержки, вносимой исследуемым объектом в световую волну, путем формирования двух интерферирующих световых пучков из одного светового пучка, отразившегося от исследуемого объекта или прошедшего сквозь него. Технический результат заключается в обеспечении возможности настройки угла сведения интерферирующих пучков, регистрации топографических изображений объекта в произвольных узких спектральных интервалах, возможности регистрации спектрального и спектрального интерференционного изображений одного и того же участка объекта. Способ регистрации голографических изображений объектов состоит в том, что исследуемый объект освещают узкополосным линейно поляризованным излучением; из излучения, отраженного и рассеянного исследуемым объектом, формируют световой пучок, переносящий его оптическое изображение; с помощью зеркального треугольного отражателя осуществляют пространственное деление этого пучка на два, один из которых пространственно фильтруют с помощью точечной диафрагмы; с помощью плоских зеркал направляют разделенные пучки по идентичным путям и сводят их на матричном приемнике излучения; регистрируют образованное сведенными вместе пучками голографическое изображение матричным приемником излучения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к интерференционным методам получения информации об объектах, в частности, в эндоскопии и микроскопии, а именно к методам регистрации цифровых голографических изображений исследуемого объекта путем деления светового пучка, переносящего изображение этого объекта, и формирования двух интерферирующих пучков.

Оптические методы, в которых регистрируется пространственное распределение интенсивности света в интерференционной картине, образованной парой интерферирующих пучков, полученных из одного пучка, отраженного или прошедшего через объект и содержащего в себе внесенные объектом амплитудно-фазовые возмущения, в настоящее время находят широкое применение. В этих методах пучок, переносящий изображение объекта, получают с помощью внешней оптической системы, например, микроскопа или эндоскопа, а затем различными способами делят его на два для формирования интерферирующих пучков.

В работах [С.Ма et. al. Opt. Express, 2017 V. 25, P. 13659; T.Sun et al. Jpn. J. Appl. Phys., 2018. P.57; E.Samira et al. "Stable and simple quantitative phase-contrast imaging by Fresnel biprism; Single-shot quantitative dispersion phase microscopy, Appl. Phys. Lett., 2018. V. 112, P. 113701; N.Lue et. al. Appl. Phys. Lett., 2012. V. 101. P. 084101] описаны способы получения интерферирующих пучков из одного пучка, переносящего изображение объекта, при которых этот пучок делится пополам по интенсивности, а затем его части сводятся вместе. Поскольку пространственная фильтрация пучков не осуществляется и каждый интерферирующий пучок несет в себе изображение объекта, эти решения подходят для ограниченного числа объектов.

В работах [В. Bhaduri, H.Pham, M.Mir, G.Popescu. Opt Lett., 2012 V. (6), P. 1094; V.Singh, S.Tayal, D.S.Mehta. OSA Continuum, 2018. V. 1(1). P. 48; P.Gao et. al. Opt. Express, 2011. V. 19. P. 1930; A.Ahmad, arxiv.org, 2018; Y.Du et al. Opt. Lett., 2012. V. 37. P. 3927; P.Girshovitz, N. T.Shaked. Opt. Express, 2013. V. 21(5). P. 5701] описаны способы получения интерферирующих пучков из одного пучка, переносящего изображение объекта, при которых этот пучок делится на две части, одна из которых пространственно фильтруется, а затем части сводятся вместе. К недостаткам этих решений также можно отнести отсутствие возможности настройки ширины интерференционных полос под геометрию исследуемого объекта и требуемое разрешение системы [В. Bhaduri, H.Pham, M.Mir, G.Popescu. Opt Lett., 2012 V. (6), P. 1094; V.Singh, S.Tayal, D.S.Mehta. OSA Continuum, 2018. V. 1(1). P. 48; A.Ahmad, arxiv.org, 2018, A.Machikhin et al. J. Opt., 2019. V. 21, P. 125801] и потери энергии на светоделении [В. Bhaduri, H.Pham, M.Mir, G.Popescu. Opt Lett., 2012 V. (6), P. 1094; Y.Du et al. Opt. Lett., 2012. V. 37. P. 3927; P.Girshovitz, N. T.Shaked. Opt. Express, 2013. V. 21(5). P. 5701, Патент RU 2626061 C1]. Использование лазерного излучения в ряде схем [V.Singh, S.Tayal, D.S.Mehta. OSA Continuum, 2018. V. 1(1). P. 48; P.Gao et. al. Opt. Express, 2011. V. 19. P. 1930; A.Ahmad, arxiv.org, 2018. arXiv: 1812.01057 [physics.optics]] приводит к наличию спекл-структуры на регистрируемых изображениях.

Описанные решения в основном предназначены для регистрации голографических изображений в одном узком спектральном интервале. В то же время регистрация нескольких изображений в разных узких спектральных интервалах позволила бы получать пространственное распределение физико-химических свойств объекта за счет их контрастного выделения при настройке на отдельные характеристические для этих свойств длины волн и спектральные зависимости оптических свойств объекта при измерении во всем спектре, которые бы позволили выявлять присутствие веществ или включений, если те имеют селективные спектры отражения, поглощения, рассеяния. Объединение интерференционных методов со спектральными и расширение таким образом числа анализируемых физических характеристик объекта, на основе которых можно было бы получать разнообразную взаимодополняющую информацию и проводить комплексный анализ, является актуальной задачей, так как это позволит значительно повысить достоверность и объективность проводимых исследований. Описанные решения либо вносят потери на светоделении, которые крайне нежелательны в системах с пространственной фильтрацией, либо не имеют возможности настройки ширины интерференционных полос на голографическом изображении, либо не предусматривают возможности регистрации голографических изображений объекта в узком спектральном интервале с возможностью квазинепрерывной перестройки этого интервала в некотором диапазоне длин волн.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков указанных схем и расширение их функциональных возможностей. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является решение, описанное в статье [V.Singh, S.Tayal, D.S.Mehta. OSA Continuum, 2018. V.1(1). P.48], в которой реализована схема получения голографических изображений при делении пучка по пространству с помощью бипризмы и пространственной фильтрации одной из его частей.

Технический результат, который может быть получен, состоит в обеспечении возможности настройки угла сведения интерферирующих пучков, регистрации голографических изображений объектов в произвольных узких спектральных интервалах, возможности регистрации спектрального и спектрального интерференционного изображений одного и того же участка объекта.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ регистрации голографических изображений объектов, состоящий в том, что исследуемый объект освещают узкополосным линейно поляризованным излучением; из излучения, отраженного и рассеянного исследуемым объектом, формируют световой пучок, переносящий его оптическое изображение; с помощью зеркального треугольного отражателя осуществляют пространственное деление этого пучка на два, один из которых пространственно фильтруют с помощью точечной диафрагмы; с помощью плоских зеркал направляют разделенные пучки по идентичным путям и сводят их на матричном приемнике излучения; регистрируют образованное сведенными вместе пучками голографическое изображение матричным приемником излучения.

Во втором варианте осуществления применяется способ регистрации голографических изображений объектов, состоящий в том, что исследуемый объект освещают широкополосным неполяризованным излучением; из излучения, отраженного и рассеянного исследуемым объектом, формируют световой пучок, переносящий его оптическое изображение; осуществляет спектральную фильтрацию сформированного пучка с выделением линейно поляризованной составляющей; с помощью зеркального треугольного отражателя осуществляют пространственное деление этого пучка на два, один из которых пространственно фильтруют с помощью точечной диафрагмы; с помощью плоских зеркал направляют разделенные пучки по идентичным путям и сводят их на матричном приемнике излучения; регистрируют образованное сведенными вместе пучками спектральное голографическое изображение на матричном приемнике излучения.

Изобретение поясняется чертежом.

На Фиг. 1 показана структурная схема, поясняющая описанный способ, где 1 - входная оптическая система, 2 - треугольный отражатель, 3 - плоские зеркала, 4 - точечная диафрагма, 5 - выходная оптическая система, 6 - матричный приемник излучения, 7 - устройство, осуществляющее спектральную фильтрацию с выделением линейно поляризованной составляющей (спектральный фильтр), 8 - подвижный непрозрачный экран.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из оптически связанных и расположенных последовательно входной оптической системы 1; интерферометра, состоящего из треугольного отражателя 2, плоских зеркал 3 объектного (3а) и опорного (3б) каналов; выходной оптической системы 5; матричного приемника излучения 6.

Отличием изобретения является то, что деление пучка производится с помощью зеркального треугольного отражателя вместо бипризмы и с помощью плоских зеркал разделенные пучки направляют по идентичным независимо регулируемым путям, а не жестко зафиксированным. При использовании широкополосного источника излучения и перестраиваемого монохроматора, интерферометр позволяет регистрировать спектральный голографические изображения в большом числе (до нескольких сотен) спектральных каналов, а не в одном неизменяемом узком спектральном интервале.

Способ реализуется следующим образом.

Исследуемый объект освещают узкополосным линейно-поляризованным излучением. Внешняя оптическая система формирует пучок, переносящий изображение исследуемого объекта. На ее выходе устанавливается интерферометр, по устройству близкий к интерферометру Маха-Цендера, все оптические компоненты которого жестко закреплены на общем основании (Фиг.1).

Входная оптическая система 1 согласует внешнюю оптическую систему и интерферометр путем преобразования размеров углового поля и светового диаметра выходящего из внешней оптической системы светового пучка, несущего изображение исследуемого объекта. Выходящий из оптической системы 1 сходящийся пучок разделяется по пространству треугольным отражателем 2 на два пучка, направляемые в объектный и опорный каналы. С помощью поперечного смещения треугольного отражателя производится перераспределение интенсивности излучения в каналах. В опорном канале пучок отражается от плоского зеркала За и пространственно фильтруется с помощью точечной диафрагмы, расположенной в плоскости фокусировки излучения. Диафрагма позволяет сформировать опорный волновой фронт требуемой формы. В объектном канале пучок отражается от плоского зеркала 36. Выходная оптическая система 5 совмещает пучки из объектного и опорного каналов в плоскости матричного приемника 6, на котором они образуют голографическое изображение. Голографическое изображение регистрируется матричным приемником 6 и обрабатывается методами цифровой голографии, позволяющими вычислить пространственное распределение фазы и амплитуды.

В частном случае (п.2 формулы) в опорном канале устанавливают подвижный непрозрачный экран 8, при введении которого в световой поток распространение света в этом канале блокируется. При введенном в ход лучей экране 8 на матричном приемнике 6 регистрируется простое изображение объекта.

Во втором варианте осуществления (п.3 формулы) исследуемый объект освещают широкополосным неполяризованным излучением и перед интерферометром устанавливают устройство, осуществляющее спектральную фильтрацию с выделением линейно поляризованной составляющей (спектральный фильтр) 7.

В частном случае (п.4 формулы) в опорном канале устанавливают подвижный непрозрачный экран 8, при введении которого в световой поток распространение света в этом канале блокируется. При введенном в ход лучей экране 8 на матричном приемнике 6 регистрируется простое изображение объекта.

В частном случае (п.5 формулы) в качестве устройства, осуществляющего спектральную фильтрацию с выделением линейно поляризованной составляющей, используют перестраиваемый монохроматор. Монохроматор 7 осуществляет выделение из широкополосного неполяризованного пучка линейно-поляризованной узкой спектральной составляющей (селекцию поляризации осуществляет либо сам монохроматор, либо поляризатор, который ставится вместе с ним).

При выведенном из хода лучей подвижном экране 8 на матричном приемнике регистрируют спектральное голографическое изображение объекта в выделенном монохроматором спектральном интервале. При введенном в ход лучей экране 8 регистрируют спектральное изображение объекта, которое отображает распределение оптических, физико-химических и иных свойств объекта, контрастно проявляющихся в выделенном акустооптическим монохроматором спектральном интервале. Повторяют эту процедуру для всех заданных спектральных интервалов при спектральной перестройке монохроматора.

В частном случае (п.6 формулы) в качестве перестраиваемого монохроматора 7 используют акустооптический перестраиваемый фильтр, выделяющий из падающего излучения заданный узкий спектральный интервал с определенной линейной поляризацией. В кристаллической ячейке такого фильтра на упругой ультразвуковой волне происходит брэгговская дифракция линейно поляризованного светового пучка и отклонение направления распространения излучения. Длина волны дифрагированного излучения определяется частотой ультразвуковой волны, которую возбуждают в акустооптической ячейке с помощью пьезопреобразователя.

1. Способ регистрации топографических изображений объектов, заключающийся в том, что исследуемый объект освещают узкополосным линейно поляризованным излучением, из излучения, отраженного и рассеянного исследуемым объектом, формируют световой пучок, переносящий его оптическое изображение, осуществляют пространственное деление этого пучка на два, один из которых пространственно фильтруют с помощью точечной диафрагмы, пространственно сводят пучки, регистрируют образованное сведенными вместе пучками голографическое изображение матричным приемником излучения; отличающийся тем, что деление пучка производят с помощью зеркального треугольного отражателя, с помощью плоских зеркал направляют разделенные пучки по идентичным путям и сводят их на матричном приемнике излучения.

2. Способ регистрации топографических изображений объектов по п. 1, отличающийся тем, что регистрируют изображение объекта, перекрывая пучок, подвергаемый пространственной фильтрации, непрозрачным экраном.

3. Способ регистрации топографических изображений объектов, заключающийся в том, что исследуемый объект освещают широкополосным неполяризованным излучением, из излучения, отраженного и рассеянного исследуемым объектом, формируют световой пучок, переносящий его оптическое изображение, осуществляют спектральную фильтрацию этого пучка с выделением линейно поляризованной составляющей, осуществляют пространственное деление этого пучка на два, один из которых пространственно фильтруют с помощью точечной диафрагмы, пространственно сводят пучки, регистрируют образованное сведенными вместе пучками голографическое изображение матричным приемником излучения; отличающийся тем, что деление пучка производят с помощью зеркального треугольного отражателя, с помощью плоских зеркал направляют разделенные пучки по идентичным путям и сводят их на матричном приемнике излучения.

4. Способ регистрации топографических изображений объектов по п. 3, отличающийся тем, что регистрируют изображение объекта, перекрывая пучок, подвергаемый пространственной фильтрации, непрозрачным экраном.

5. Способ регистрации топографических изображений объектов по п. 4, отличающийся тем, что в качестве устройства, осуществляющего спектральную фильтрацию с выделением линейно поляризованной составляющей, используют перестраиваемый монохроматор, повторяют процедуру регистрации спектральных голографических изображений для всех заданных спектральных интервалов, выделенных монохроматором при его спектральной перестройке.

6. Способ регистрации голографических изображений объектов по п. 5, отличающийся тем, что в качестве перестраиваемого монохроматора используют акустооптический спектральный перестраиваемый фильтр.