Формирование сигнала и свойства визуализации в интерференционной микроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

005556565

На правах рукописи

Гребенюк Антон Александрович

ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛА И СВОЙСТВА ВИЗУАЛИЗАЦИИ В ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ МИКРОСКОПИИ

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

4 ДЕК 2014

Саратов - 2014

005556565

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Рябухо Владимир Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, профессор кафедры информационная безопасность автоматизированных систем ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» Пластун Инна Львовна

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории моделирования и автоматизации лазерных систем Самарского филиала ФГБУН «Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук» Волостников Владимир Геннадиевич

Ведущая организация: ФГБУН «Институт систем обработки

изображений Российской академии наук», г. Самара

Защита состоится 26 декабря 2014 г. в 17 час. 30 мин. на заседании Диссертационного совета Д 212.243.05 на базе ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке имени В.А. Артисевич ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского», и на сайте: http://www.sgu.ru/research/dissertation-counciI/d-212-243-05/kandidatskaya-dissertaciya-grebenyuka-antona

Автореферат разослан 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

В. Л. Дербов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Системы интерференционной микроскопии представляют собой сочетание принципов интерферометра и обычного оптического микроскопа. Они позволяют сочетать измерительные возможности интерференционного сигнала с высоким поперечным пространственным разрешением оптической микроскопии для высокоточных фазовой визуализации и низкокогерентной трехмерной визуализации различных объектов. В то же время, они представляют значительную сложность для анализа, поскольку в них возможно сочетание эффектов низкокогерентной интерферометрии с дифракционными эффектами микроскопии. Методы интерференционной микроскопии используются, в основном, в двух режимах: режиме низкокогерентной визуализации (соответствующие методы часто называются методами оптической когерентной томографии (ОКТ) или оптической когерентной микроскошш (ОКМ)) и режиме фазовой визуализации (соответствующие методы часто называются методами цифровой голографической микроскопии (ЦГМ)).

Использование цифровых фотоприемников (фогодетекторов), на сегодняшний день практически повсеместно распространенное в интерференционной микроскопии, позволяет восстанавливать в численном виде амплитуду и фазу функции взаимной когерентности объектного и опорного полей и проводить дальнейшую специальную численную обработку. Сочетание возможностей детектирования сигнала в интерференционных микроскопах со специальными процедурами численной обработки исходных данных и восстановления результирующего изображения приводит к появлению новых возможностей и методов визуализации. Особенно широкие возможности такие методы получают при использовании различных лазерных источников, позволяющих задавать поля освещения с требуемыми свойствами пространственной и временной когерентности для достижения оптимальных характеристик визуализации.

Актуальность темы исследования обусловлена высокой практической значимостью и высокой перспективностью методов визуализации, основанных на принципе интерференционной микроскопии, в особенности в сочетании со специальной численной обработкой сигнала, предоставляющей новые возможности визуализации (например, для численно сфокусированной трехмерной визуализации в ОКТ/ОКМ с освещением лазерным источником со сканируемой частотой излучения).

Степень разработанности темы исследования. Существует значительное количество работ, посвященных различным аспектам теории интерференционных микроскопов, в т.ч. возможностей численной коррекции эффектов дефокусировки, и исследованию различных эффектов когерентности в интерферометрии. Это создает теоретические предпосылки и феноменологическую базу для дальнейшего более общего и детального анализа вопросов формирования

изображения в интерференционной микроскопии и разработки на его основе новых методов визуализации.

Цель диссертационной работы - развитие теоретических и методологических основ интерференционной микроскопии, разработка новых схем и методов визуализации, в т.ч. основанных на специальной численной обработке сигнала интерференционного микроскопа, учитывающей свойства и возможности использования оптических полей с широкими угловым и временным спектрами.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

• Разработка теоретической модели формирования сигнала в интерференционной микроскопии, позволяющей проводить анализ визуализации объемных объектов при произвольных параметрах пространственно-временной когерентности поля освещения, различных конфигурациях оптических схем и режимах визуализации.

• Вывод аналитических выражений для сигнала в различных типах интерференционных микроскопов при различных типах визуализируемых объектов, свойствах освещения и методах визуализации.

• Анализ соответствия полученных выражений известным эффектам когерентности, обусловленным угловым и временным спектрами оптических полей, а также возможностей обнаружения на основе полученных выражений новых когерентных эффектов.

• Разработка на основе проведенного анализа новых методов визуализации, основанных на специальной численной обработке сигнала в различных схемах интерференционной микроскопии.

• Экспериментальная проверка правильности выводов проведенного теоретического анализа и работоспособности предложенных методов визуализации.

Научная новизна диссертационной работы

• Предложена новая теоретическая модель формирования сигнала в интерференционной микроскопии, позволяющая проводить анализ визуализации объемных объектов при произвольных параметрах пространственно-временной когерентности поля освещения, различных конфигурациях оптических схем и режимах визуализации. Получены новые аналитические выражения для сигнала в полнопольных и конфокальных интерференционных микроскопах на отражение, а также в полнопольных интерференционных микроскопах на пропускание.

• Введено понятие функции апертуры освещения и впервые показано в зависимости от свойств структуры объекта влияние апертуры освещения на формирование сигнала когерентности при продольном сканировании положения визуализируемого объекта в интерференционной микроскопии на отражение.

• Разработаны новые методы численной коррекции сигнала интерференционного микроскопа для численной фокусировки в цифровой топографической микроскопии и численно сфокусированной трехмерной визуализации в оптической когерентной микроскопии с освещением лазерным источником со сканируемой частотой излучения, учитывающие возможность отличия показателей преломления иммерсии и различных слоев объекта и произвольную форму апертуры освещения (произвольную функцию пространственной когерентности освещения).

• С использованием предложенного метода впервые экспериментально показана возможность численно сфокусированной трехмерной визуализации в оптической когерентной микроскопии с пространственно частично когерентным освещением лазерным источником со сканируемой частотой излучения, в условиях, когда метод численной коррекции для случая пространственно когерентного освещения не приводит к эффекту численно сфокусированной визуализации.

• Предложен новый метод реализации режима внеосевой голографии в цифровой голографической микроскопии с квазимонохроматическим пространственно частично когерентным освещением на пропускание, позволяющий сочетать возможности режима внеосевой голографии и пространственно частично когерентного освещения с относительной простотой реализации.

Теоретическая и практическая значимость работы

Предложенная теоретическая модель формирования сигнала в интерференционной микроскопии позволяет проводить относительно простой и ясный анализ свойств визуализации объемных объектов при произвольных параметрах пространственно-временной когерентности поля освещения, различных типах объектов, различных конфигурациях оптических схем интерференционных микроскопов и режимах визуализации. Полученные на ее основе аналитические выражения корректно описывают известные в литературе эффекты когерентности, а также позволяют предсказывать новые эффекты когерентности и разрабатывать на их основе новые методы визуализации.

Разработанные на основе полученных выражений методы численной коррекции сигнала в оптической когерентной микроскопии с освещением лазерным источником со сканируемой частотой учитывают возможность отличия показателей преломления иммерсии и различных слоев объекта. Это делает данные методы применимыми к визуализации объектов (как правило, обладающих показателем преломления, значительно отличным от единицы) без иммерсии даже при использовании относительно больших числовых апертур микрообъективов. Соответствующий обобщенный метод численной коррекции, учитывающий специфику пространственно частично когерентного освещения, позволяет проводить численную коррекцию сигнала, включая численную перефокусировку, при произвольной форме апертуры освещения. Это особенно

важно для такой перспективной области как использование структурированного освещения в интерференционной микроскопии для сочетания высокого поперечного разрешения с большой максимальной дистанцией численной фокусировки.

Помимо прояснения фундаментального вопроса о возможности численной фокусировки при пространственно частично когерентном освещении, полученные результаты обладают также большим практическим значением, т.к. открывают новые возможности для скоростной высокоразрешающей трехмерной визуализации объектов в оптической когерентной микроскопии и высокоразрешающей численно сфокусированной визуализации в цифровой голографической микроскопии.

Разработанный метод реализации режима внеосевой голографии в цифровой голографической микроскопии с квазимонохроматическим пространственно частично когерентным освещением на пропускание позволяет реализовать режим внеосевой голографии в ЦГМ с пространственно частично когерентным освещением без внесения в схему дифракционной решетки и других дополнительных оптических элементов. Это создает возможность проведения количественной фазовой визуализации микрообъектов (например, биологических клеток) с подавленными когерентными шумами (обусловленными наличием частиц пыли на оптических элементах) при относительно простой оптической схеме.

Методология и методы исследования

Для построения теоретической модели использовался скалярный дифракционный анализ, включая дифракционный интеграл Френеля-Кирхгофа и представление углового спектра волнового поля. Для исследования различных методов и свойств визуализации в интерференционной микроскопии использовался вывод аналитических выражений и численное моделирование на основе предложенной теоретической модели. Для проверки правильности предложенной теоретической модели, сделанных выводов и предложенных методов визуализации использовался натурный эксперимент.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Теоретическая модель формирования сигнала в интерференционной микроскопии, позволяющая проводить анализ визуализации объемных объектов при произвольных параметрах пространственно-временной когерентности поля освещения, различных конфигурациях оптических схем и режимах визуализации. Аналитические выражения для сигнала в полнопольных и конфокальных интерференционных микроскопах на отражение, а также в полнопольных интерференционных микроскопах на пропускание.

2. Сигнал когерентности интерференционного микроскопа на отражение при сканировании объекта в продольном направлении в общем случае не может быть охарактеризован одной только эффективной числовой апертурой. Он

определяется в общем случае и апертурной функцией микрообъективов, и функцией апертуры освещения.

3. Методы численной коррекции сигнала интерференционного микроскопа для численной фокусировки в цифровой голографической микроскопии и численно сфокусированной трехмерной визуализации в оптической когерентной микроскопии с освещением лазерным источником со сканируемой частотой излучения, учитывающие возможность отличия показателей преломления иммерсии и различных слоев объекта и произвольную форму апертуры освещения (произвольную функцию пространственной когерентности освещения).

4. Экспериментальное подтверждение возможности численно сфокусированной трехмерной визуализации с использованием предложенного метода в оптической когерентной микроскопии с пространственно частично когерентным освещением лазерным источником со сканируемой частотой излучения.

5. Метод реализации режима внеосевой голографии в цифровой голографической микроскопии с квазимонохроматическим пространственно частично когерентным освещением объекта на пропускание.

6. Экспериментальное подтверждение возможности реализации с помощью предложенного метода режима внеосевой голографии в цифровой голографической микроскопии с квазимонохроматическим пространственно частично когерентным освещением на пропускание.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность научных результатов, полученных в работе, обеспечивается корректностью используемых методов теоретического анализа, соответствием выводов теоретического анализа известным экспериментальным данным и подтверждением теоретически предсказанных новых эффектов и методов визуализации результатами натурных экспериментов.

Основные результаты диссертационной работы доложены на конференциях: Saratov Fall Meeting (SFM) 2011 (Саратов, 2011); Optical Micro- and Nanometrology и Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care (в рамках симпозиума SPIE Photonics Europe, Брюссель, Бельгия, 2012); Optical Sensing and Artificial Vision (OSAV) 2012 (Санкт-Петербург, 2012); International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT) 2012 (Тун, Швейцария, 2012); XXVIII Школа-симпозиум по голографии и когерентной оптике (Нижний Новгород, 2013); SFM 2013 (Саратов, 2013); VIII Международная конференция молодых ученых и специалистов "Оптика - 2013" (Санкт-Петербург, 2013); VI Международная школа-конференция молодых ученых и специалистов "Современные проблемы физики" (Минск, Беларусь, 2014); Международная конференция "Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем" и XI съезд Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков (Минск, Беларусь, 2014).

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 8 работ в изданиях, входящих в системы Scopus и Web of Science.

Исследования по теме диссертации проводились при частичной поддержке грантов: Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» № 2.1.1/4364; Государственного контракта Министерства образования и науки РФ № 02.740.11.0879; Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы № 14.В37.21.0728; Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ РФ НШ-1177.2012.2 и НШ-703.2014.2; программы развития Национального Исследовательского Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского.

Личный вклад соискателя состоит в обсуждении и решении задач исследования, поставленных научным руководителем профессором д.ф.-м.н. В. П. Рябухо, в обсуждении подходов к анализу и разработке на их основе новых методов визуализации. Соискателем самостоятельно выполнен вывод всех представленных аналитических выражений (за исключением базовых уравнений дифракционного анализа, на которые в тексте сделаны соответствующие ссылки), разработка всех представленных программ численного моделирования и обработки экспериментальных данных.

Экспериментальное исследование метода трехмерной визуализации на основе численной коррекции сигнала в полнопольной оптической когерентной микроскопии с пространственно частично когерентным освещением лазерным источником со сканируемой частотой, представленное в параграфе 3.4, было выполнено в ходе стажировки соискателя в Лаборатории Чарльза Фабри (Laboratoire Charles Fabry) Высшей школы Институт оптики (Institut d'Optique Graduate School), Палезо, Франция, в группе профессора Арно Дюбуа (Arnaud Dubois), совместно с Антуаном Федеричи (Antoine Federici) и Арно Дюбуа.

Сборка цифрового голографического микроскопа на пропускание, представленного в параграфе 4.4, была осуществлена при содействии аспиранта кафедры оптики и биофотоники СГУ Я. В. Тараканчиковой, которой также был подготовлен тестовый объект для визуализации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, приведены положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена разработке теоретической модели формирования сигнала в интерференционной микроскопии, сочетающей относительную простоту анализа с достаточной строгостью и широкой областью применимости (к исследованию визуализации объектов различного типа при различных

конфигурациях оптических схем, параметрах освещения и режимах визуализации).

В параграфе 1.1 рассмотрены задачи, стоящие перед методами теоретического анализа в интерференционной микроскопии, и сформулированы требования, которым должна удовлетворять разрабатываемая теоретическая модель.

В параграфе 1.2 описаны принципы предлагаемого подхода к анализу формирования сигнала в интерференционной микроскопии (предлагаемой теоретической модели), обладающего указанными свойствами (строгостью, простотой и общностью анализа).

В параграфе 1.3 получены аналитические выражения для описания в соответствии с предложенным подходом преобразования оптического поля при распространении через оптическую систему освещения и изображающую часть оптической системы, с учетом возможности дефокусировки визуализируемого объекта относительно как системы освещения, так и изображающей части оптической системы, в схемах на пропускание и на отражение.

В параграфе 1.4 рассмотрены возможности формального аналитического описания и численного моделирования процесса формирования сигнала в интерференционной микроскопии на основе предложенного подхода и полученных аналитических выражений.

Параграф 1.5 посвящен обсуждению различных аспектов применения предложенной теоретической модели, в частности, рассмотрены возможности учета свойств фотодетектора (спектральной чувствительности и конечного размера фоточувствительной области) при анализе сигнала интерференционного микроскопа.

Параграф 1.6 посвящен обсуждению свойств и возможностей предложенной теоретической модели.

Вторая глава посвящена выводу на основе предложенной теоретической модели аналитических выражений, описывающих формирование сигнала в интерференционной микроскопии на отражение (в качестве основной схемы для анализа взята широко распространенная схема интерференционного микроскопа Линника), анализу соответствия полученных выражений известным эффектам когерентности и анализу новых эффектов, предсказываемых полученными выражениями.

В параграфе 2.1 кратко описаны принципы и задачи методов интерференционной микроскопии на отражение, возможности и трудности визуализации, связанные с проявлением эффектов когерентности, и сформулированы цели исследований, представленных во второй главе.

В параграфе 2.2 рассмотрено преобразование поля освещения при отражении от слоистых объектов, состоящих из N слоев с произвольными толщинами {Агу} и показателями преломления {пу}, в двух случаях: когда все

границы раздела не обладают поперечной структурой коэффициента отражения и

когда (N + 1) я граница раздела в объекте обладает поперечной структурой амплитудного коэффициента отражения г$(а>-,х$,у$).

В параграфе 2.3 получены аналитические выражения, описывающие функцию взаимной спектральной плотности объектного и опорного полей в плоскости регистрации полнопольного интерференционного микроскопа на отражение в случаях визуализации двух модельных объектов, описанных в параграфе 2.2. В частности, для поперечного пространственного спектра функции взаимной спектральной плотности при визуализации объекта с поперечной структурой получено следующее выражение

Г*

Т'{со\кх,ку)~ 0)М2 П (со)

Ь'=1

■х.г5{о)--Мкх-МкуУЕ{со\кх,ку), (1)

где Е(а>;кх,ку) - комплексный коэффициент, определяемый целым рядом

параметров и в общем случае различный для различных значений пространственных (кх,ку) и временных (®) частот.

Полученные выражения для случая визуализации объекта с поперечной структурой показывают, что для взаимной спектральной плотности объектного и опорного полей в плоскости регистрации наряду с апертурной функцией микрообъективов почти равную ей по важности роль играет функция, имеющая следующий вид:

А1(со-,ха,у0) = 10(со\х0,у0)А (а>--х0-у0)гК

Г Г

(2)

/

где А - апертурная функция микрообъективов, /0 - распределение спектральной плотности поля освещения непосредственно после прохождения апертуры микрообъективов на этапе освещения, гК — амплитудный коэффициент отражения опорного зеркала. В силу значимости функции А,- и для удобства интерпретации, она названа функцией апертуры освещения.

В параграфе 2.4 получены аналитические выражения, описывающие функцию взаимной спектральной плотности объектного и опорного полей в плоскости регистрации сканирующего конфокального интерференционного микроскопа на отражение (в режиме синтезированной апертуры) в случае визуализации модельного слоистого объекта с поперечной структурой. Показано, что несмотря на ряд отличий, общая форма функции взаимной спектральной плотности объектного и опорного полей (в режиме синтезированной апертуры) сходна со случаем полнопольного интерференционного микроскопа. Аналогично полнопольному режиму, при конфокальном режиме визуализации можно выделить функцию апертуры освещения, в роли которой, однако, выступает 1а(со-,х0,уо) — распределение комплексной амплитуды поля освещения

непосредственно после прохождения апертуры микрообъективов на этапе освещения.

В параграфе 2.5 показано, что полученные выражения для взаимной спектральной плотности и функции взаимной когерентности объектного и опорного полей в случае визуализации в полнопольном интерференционном микроскопе на отражение объекта с однородными границами раздела приводят к выводам об эффектах углового и временного спектров, соответствующим описанным в литературе экспериментам и теоретическим исследованиям. Обсуждается различие в сигналах в случае визуализации объекта с однородными границами раздела и объекта, обладающего поперечной структурой, а также подходы к терминологии описания эффектов когерентности, обусловленных угловым и временным спектрами оптического поля.

В параграфе 2.6 анализируются свойства импульсного отклика в поперечном направлении функции взаимной спектральной плотности Гр$р-(со-,х$,у$) (импульсного отклика функции взаимной когерентности при квазимонохроматическом освещении), определенного как распределение взаимной спектральной плотности в сигнале от точечного рассеивателя, масштабированное к пространству объектов.

Показано различие во влиянии апертурной функции микрообъективов и функции апертуры освещения на сигнал взаимной спектральной плотности при продольном сканировании Дго положения объекта в случаях объекта, представляющего собой плоское зеркало, и объекта, представляющего собой точечный рассеиватель (некоторые результаты представлены на рис. 1) (ЛШ -числовая апертура освещения, определенная как отношение радиуса освещенной части апертуры микрообъектива (на этапе освещения) к его заднему фокусному расстоянию).

Также проведен анализ влияния апертуры освещения на свойства пространственного спектра и форму импульсного отклика взаимной спектральной плотности.

В параграфе 2.7 более подробно показано соответствие полученных выражений описанным в литературе экспериментальным и теоретическим исследованиям влияния показателя преломления объекта на проявление эффектов углового и временного спектров в сигнале когерентности.

Параграф 2.8 посвящен обсуждению результатов, полученных во второй

главе.

Третья глава посвящена разработке методов численной коррекции сигнала интерференционного микроскопа на отражение для численной фокусировки в ЦГМ и численно сфокусированной трехмерной визуализации в ОКТ/ОКМ "в Фурье-области", применимых к визуализации объектов с показателем преломления, отличным от показателя преломления иммерсии, и учитывающих свойства пространственно частично когерентного освещения.

В параграфе 3.1 проведен обзор методов численной коррекции сигнала для численно сфокусированной трехмерной визуализации в ОКТ/ОКМ "в Фурье-области", описанных в литературе, и показана необходимость развития таких методов.

Рис. 1. Модуль нормированной на единичный максимум взаимной спектральной плотности при сканировании однородной отражающей поверхности (зеркала)

(штриховая линия) и точечного рассеивателя (в центре его изображения) (сплошная линия). £»=2.69х1015 рад/с, М4 = 0.4; а) Ж/= 0.005,6) Ш = 0.4.

В параграфе 3.2 предложен метод численной коррекции сигнала для численно сфокусированной трехмерной визуализации в полнопольной ОКТ/ОКМ с пространственно когерентным освещением лазерным источником со сканируемой частотой, учитывающий возможность отличия показателей преломления иммерсии и слоев объекта.

В параграфе 3.3 предложен более общий метод численной коррекции сигнала для численно сфокусированной трехмерной визуализации в полнопольной ОКТ/ОКМ с освещением лазерным источником со сканируемой частотой, учитывающий возможность отличия показателей преломления иммерсии и слоев объекта, в общем случае пространственно частично когерентного освещения. Этот метод основан на умножении для каждого со функции Г'(со;кх,ку) на

Ч>(со;кх,ку) =

\Е* (со-,кх,ку)/\Е(й)-,кх,ку)\,если \Е(со\кх,ку)\ > 0,

(3)

[0, если\Е(со\кх,ку)\=0

интегрировании (суммировании) полученной функции Т'{со\кх,ку)х¥{со\кх,ку) по со и двумерном Фурье-преобразование по (кх, к ).

Параграф 3.4 посвящен экспериментальной проверке предложенного метода численной коррекции сигнала для численно сфокусированной трехмерной визуализации в полнопольной ОКМ с пространственно частично когерентным освещением лазерным источником со сканируемой частотой ( ЫА = 0.1 ; ЫА1 ~ 0.05 ; лазерный источник дает квазимонохроматическое излучение с

частотой, сканируемой от у1 =1.97х1014 Гц до у2 =1.85хЮ14 Гц; поле зрения ~ 700 х 870 мкм2; в качестве объекта использовались две микросхемы, наложенные одна на другую).

На рис. 2 представлены результаты численной обработки экспериментальных интерферограмм при простом Фурье-преобразовании сигнала по со, выполняемом в каждой точке (х, у), соответствующем обычной обработке ОКТ "в Фурье-области" (рис. 2а-2г), при применении алгоритма численной коррекции, соответствующего пространственно когерентному освещению, (рис. 2д и 2е), и при применении алгоритма, учитывающего свойства пространственно частично когерентного освещения, основанного на процедуре (3) (рис. 2ж и 2з). а), б), д), е), ж), з) соответствуют одним экспериментальным данным, полученным при положении оптического фокуса на верхней микросхеме (расположенной в левом верхнем углу каждого из изображений), в), г) соответствуют экспериментальным данным, полученным при положении оптического фокуса на нижней микросхеме (расположенной в правом нижнем углу каждого из изображений), а), в), д), ж) соответствуют селекции окном временного спектра сигнала от верхней микросхемы; б), г), е), з) соответствуют селекции окном временного спектра сигнала от нижней микросхемы.

Рис. 2. Сравнение изображений, полученных в полнопольном ОКМ с пространственно частично когерентным освещением лазерным источником со сканируемой частотой излучения при различных типах численной обработки.

Применение специального алгоритма численной коррекции, основанного на (3), позволило получить резкие изображения обеих микросхем (рис. 2ж и 2з), без механического смещения положения оптического фокуса. В соответствии с предсказаниями теории, сигнал из расфокусированных областей обладает меньшей амплитудой за счет влияния окна углового спектра.

В параграфе 3.5 показано, что использование структурированного освещения в сочетании с предложенным методом численной коррекции сигнала в

ОКТ/ОКМ и ЦГМ предоставляет возможность численно сфокусированной визуализации с высоким поперечным разрешением, характерным для ОКТ/ОКМ и ЦГМ с широкой апертурой освещения, но в то же время значительно меньшим затуханием сигнала при дефокусировке, характерным для ОКТ/ОКМ и ЦГМ с узкой апертурой освещения.

Параграф 3.6 посвящен обсуждению свойств и перспектив предложенных методов численной коррекции сигнала в ОКТ/ОКМ и ЦГМ.

Четвертая глава посвящена исследованию интерференционной микроскопии на пропускание, в первую очередь - ЦГМ с пространственно частично когерентным освещением на пропускание.

В параграфе 4.1 рассмотрены проблемы теории и описанные в литературе подходы к экспериментальной реализации ЦГМ с пространственно частично когерентным освещением на пропускание; сформулированы цели исследований в данной главе.

В параграфе 4.2 проведен анализ формирования сигнала в полнопольном интерференционном микроскопе с частично когерентным освещением на пропускание, учитывающий слоистую структуру визуализируемого объекта, возможность дефокусировки, возможность внесения в опорное плечо слоистой компенсирующей структуры.

В параграфе 4.3 предложен метод реализации режима внеосевой голографии в ЦГМ с квазимонохроматическим пространственно частично когерентным освещением на пропускание (такое освещение создается за счет использования динамического рассеяния квазимонохроматического излучения лазерного источника). Предложенный метод не требует использования дифракционной решетки и дополнительного усложнения схемы по сравнению с ЦГМ в режиме сдвига фазы, в отличие от предложенных в литературе методов создания режима внеосевой голографии при пространственно частично когерентном освещении на пропускание.

агё(Г<0)

мк

-6 " . мкм

Рис. 3. Трехмерное представление фрагмента (16><17 мкм2) распределения аргумента восстановленной функции взаимной когерентности (взаимной спектральной плотности) при визуализации эритроцитов в предложенном ЦГМ.

В параграфе 4.4 представлены результаты экспериментальной проверки работоспособности предложенного метода ЦГМ и возможности проведения с его помощью количественной фазовой визуализации (рис. 3).

Параграф 4.5 посвящен обсуждению результатов, полученных в четвертой

главе.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе, а также перспективы дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана теоретическая модель формирования сигнала в интерференционной микроскопии, позволяющая проводить анализ визуализации объемных объектов при произвольных параметрах пространственно-временной когерентности поля освещения, различных конфигурациях оптических схем и режимах визуализации. Полученные на основе предложенной теоретической модели аналитические выражения позволяют проводить анализ свойств визуализации в полнопольных и конфокальных интерференционных микроскопах на отражение, а также в полнопольных интерференционных микроскопах на пропускание. Полученные выражения корректно описывают известные в литературе эффекты когерентности оптических полей с широкими угловым и временным спектрами, что подтверждает правильность предложенной модели.

2. Введено понятие функции апертуры освещения и показано, что функция апертуры освещения играет в сигнале когерентности почти столь же важную роль, что и апертурная функция микрообъективов. Введение понятия функции апертуры освещения зачастую позволяет делать единообразные выводы для полнопольного и конфокального режимов визуализации, хотя определение функции апертуры освещения в этих двух случаях несколько отличается.

3. Сигнал когерентности интерференционного микроскопа на отражение при сканировании объекта в продольном направлении в общем случае не может быть охарактеризован одной только эффективной числовой апертурой. Он определяется в общем случае и апертурной функцией микрообъективов, и функцией апертуры освещения.

4. Распределение комплексной амплитуды объектного поля и функция взаимной спектральной плотности объектного и опорного полей в общем случае изменяются с дефокусировкой различным образом и требуют для численной перефокусировки соответствующих алгоритмов. Представление о численном распространении комплексной амплитуды объектного поля не всегда применимо для численной перефокусировки взаимной спектральной плотности и функции когерентности.

5. Разработаны методы численной коррекции сигнала когерентности интерференционного микроскопа для численно сфокусированной трехмерной визуализации в оптической когерентной микроскопии с освещением лазерным источником со сканируемой частотой излучения, учитывающие возможность отличия показателей преломления иммерсии и различных слоев объекта. Такая визуализация сочетает возможности ОКТ/ОКМ "в Фурье-области" с возможностями численной фокусировки и в полнопольном режиме позволяет проводить трехмерную визуализацию объектов без необходимости какого-либо механического сканирования в продольном или поперечном направлении. Эти методы численной коррекции сигнала были разработаны как для более простого случая пространственно когерентного освещения объекта (плоской волной), так и для более общего случая пространственно частично когерентного освещения, с произвольной формой функции апертуры освещения. Разработанные методы численной коррекции сигнала включают в себя численную фокусировку, поэтому полученные результаты также напрямую применимы и к численной фокусировке в цифровой голографической микроскопии с пространственно частично когерентным освещением на отражение. Также разработан метод численной фокусировки в цифровой голографической микроскопии с пространственно частично когерентным освещением на пропускание.

6. Применимость предложенных методов для численной фокусировки и численно сфокусированной трехмерной визуализации при произвольной форме апертуры освещения открывает широкие возможности для применения различных методов структурированного освещения для достижения высокого поперечного разрешения, свойственного интерференционной микроскопии с пространственно низкокогерентным освещением, при большой максимальной дистанции численной перефокусировки, свойственной интерференционной микроскопии с пространственно когерентным освещением.

7. Экспериментальное подтверждение возможности численно сфокусированной трехмерной визуализации с использованием предложенного метода в оптической когерентной микроскопии с пространственно частично когерентным освещением лазерным источником со сканируемой частотой излучения, в условиях, когда метод для случая пространственно когерентного освещения не приводит к эффекту численно сфокусированной визуализации, является также важным подтверждением правильности и работоспособности предложенной теоретической модели.

8. Разработан метод реализации режима внеосевой голографии в цифровой голографической микроскопии с квазимонохроматическим пространственно частично когерентным освещением на пропускание, не требующий усложнения оптической схемы по сравнению с ЦГМ в режиме сдвига фазы. Использование пространственно частично когерентного освещения позволяет подавить когерентные шумы, обусловленные наличием частиц пыли, царапин и т.д. на поверхностях оптических элементов, а режим внеосевой голографии позволяет

избежать использования пьезоэлектрических элементов (необходимых для работы метода сдвига фазы) и улучшить возможности динамической визуализации. Все это делает предложенный метод весьма удобным для практического применения в целях количественной динамической фазовой визуализации различных микрообъектов, в первую очередь - биологических клеток.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Grebenyuk, A. A. Theoretical analysis of stratified media imaging in low-coherence interference microscopy / A. A. Grebenyuk, V. P. Ryabukho // Proc. of SPIE. - 2012. - Vol. 8337. - P. 833707 1-10.

2. Grebenyuk, A. A. Theoretical model of volumetric objects imaging in a microscope / A. A. Grebenyuk, V. P. Ryabukho // Proc. of SPIE. - 2012. - Vol. 8430.-P. 8430IB 1-10.

3. Grebenyuk, A. A. Coherence effects of thick objects imaging in interference microscopy / A. A. Grebenyuk, V. P. Ryabukho // Proc. of SPIE. - 2012. - Vol. 8427.-P. 84271M 1-10.

4. Grebenyuk, A. A. Numerical correction of coherence gate in full-field swept-source interference microscopy / A. A. Grebenyuk, V. P. Ryabukho // Optics Letters. - 2012. - Vol. 37. - No. 13. - P. 2529-2531.

5. Grebenyuk, A. A. Numerical reconstruction of volumetric image in swept-source interference microscopy / A. A. Grebenyuk, V. P. Ryabukho // AIP Conf. Proc. -2013.-V. 1537.-P. 147-154.

6. Grebenyuk, A. A. Numerical reconstruction of 3D image in Fourier domain confocal optical coherence microscopy / A. A. Grebenyuk, V. P. Ryabukho // Proceedings of the International Conference on Advanced Laser Technologies 2012. - Bern Open Publishing. - 2013. - P. 1-5.

7. Гребенюк, А. А. Анализ формирования изображения в цифровой голографической микроскопии с пространственно частично когерентным освещением / А. А. Гребенюк, Я. В. Тараканчикова, В. П. Рябухо // Голография: теоретические и прикладные вопросы. Материалы XXVIII Школы-симпозиума по голографии и когерентной оптике - Нижний Новгород : Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2013. - С. 79-81.

8. Гребенюк, А. А. Цифровая голографическая микроскопия в режиме внеосевой голографии с пространственно частично когерентным освещением / А. А. Гребенюк, Я. В. Тараканчикова, В. П. Рябухо // Сборник трудов VIII международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2013» - СПб : НИУИТМО, 2013. - С. 92-94.

9. Grebenyuk, A. Numerically focused full-field swept-source optical coherence microscopy with low spatial coherence illumination / A. Grebenyuk, A. Federici, V. Ryabukho, A. Dubois // Applied Optics. - 2014. - Vol. 53. - No. 8. - P. 16971708.

10. Grebenyuk, A. A. Numerical focusing in digital holographic microscopy with partially spatially coherent illumination in transmission / A. A. Grebenyuk, V. P. Ryabukho // Proc. of SPIE. - 2014. - Vol. 9031. - P. 903119 1-8.

11. Гребенюк, А. А. Структура освещения и свойства трехмерной визуализации в оптической когерентной микроскопии / А. А. Гребенюк, В. П. Рябухо // Международная школа-конференция молодых ученых и специалистов «Современные проблемы физики» : сб. науч. тр. - Минск : Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, 2014. - С. 243-247.

12. Гребенюк, А. А. Цифровая голографическая микроскопия с пространственно частично когерентным освещением на пропускание: визуализация структуры клеток со сниженными когерентными шумами / А. А. Гребенюк, Я. В. Тараканчикова, В. П. Рябухо // Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем : Междунар. науч. конф.; Одиннадцатый съезд Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков : сб. ст. в 2 ч. - Ч. 2. - Минск : Изд. центр БГУ, 2014. - С. 300-302.

13. Grebenyuk, A. A. An off-axis digital holographic microscope with quasimonochromatic partially spatially coherent illumination in transmission / A. A. Grebenyuk, Y. V. Tarakanchikova, V. P. Ryabukho // Journal of Optics. -2014.-Vol. 16.-P. 105301 1-6.

Подписано в печать 21.10.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Объем 1.25 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 173-Т.

Типография Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского 410012 г. Саратов, ул. Большая Казачья, д. 112 а Тел.: (845-2) 27-33-85