Полнопольная сканирующая низкокогерентная микроинтерферометрия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Кальянов Александр Леонтьевич

ОЛНОПОЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ НИЗКОКОГЕРЕНТНАЯ МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

01.04.05-Оптика

2 4 НОЯ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 2011

005003606

Работа выполнена на кафедре оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского и в лаборатории проблем когерентно оптических измерений в точной механике Института проблем точной механики и управления РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Рябухо Владимир Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Скрипаль Анатолий Владимирович доктор физико-математических наук, профессор Ушаков Николай Михайлович

Ведущая организация: Саратовский государственный технический

университет, г. Саратов

Защита диссертации состоится 15 декабря 2011 года в 15 часов 30 минут на заседанш диссертационного совета Д 212.243.01 по физико-математическим наукам пр Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Университетская, 42, III учебный корпус, ауд. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке имен В.А. Артисевич Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.

Автореферат разослан «JJ» ноября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук, профессор

В.М. Аникин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Когерентно-оптические методы измерения и зуализации занимают особое место в ряду средств, позволяющих восстанавливать тическую и геометрическую микроструктуру объектов, благодаря сочетанию разрушающего принципа зондирования исследуемого объекта и достаточно высокой зрешающей способности [Л1, Л2]. Наряду с хорошо известными и широко именяемыми методами визуализации, такими как микроскопия интерференционного и азового контраста, конфокальная микроскопия, оптическая когерентная томография, в следнее время большое внимание уделяется возможности использования для следования с высоким пространственным разрешением внутренней структуры "ъектов оптической интерференционной микроскопия [ЛЗ, Л4, Л5].

Одним из актуальных направлений в оптической интерферометрии является работка методов и средств визуализации и измерения параметров геометрической ормы и внутренней структуры биологических клеток. Такие исследования имеют льшое как теоретическое, так и прикладное значение [Л6, Л7]. Фундаментальный рактер подобных исследований обусловлен необходимостью развития представлений о етаболических процессах и сопровождающих эти процессы изменениях клеточной руктуры тканей [Л8, Л9]. Практическое же применение результатов исследования груктуры биологических клеток заключается в возможности использования полученных иных в качестве инструмента для диагностики различного рода заболеваний или струмента контроля в биоинженерии [Л10, ЛИ]. С другой стороны востребованным тается изучение рельефа поверхности и внутренней структуры объектов технического оисхождения при производстве микроэлектроники и оптических компонентов, нтроле качества обработки поверхностей, покрытия их лакокрасочными материалами др.

Микроинтерферометрия полного поля сочетает в себе высокое поперечное решение микроскопа с высоким продольным разрешением интерференционных етодов измерения [Л12, Л13, Л14]. Регистрация интерференционного сигнала по всему лю зрения микроскопа позволяет отказаться от поперечного сканирования объекта, агодаря чему уменьшается время исследования. Для сканирования объекта по глубине пользуют его контролируемое перемещение вдоль оптической оси, что позволяет лучить информацию о форме его поверхности, рельефе, а так же о внутренней руктуре, в случае если объект достаточно прозрачен. Использование широкополосного точника излучения позволяет получить продольную разрешающую способность 1стемы порядка 1 мкм. Для регистрации сигнала применяются детекторы изображения атричного типа, регистрирующие интенсивность оптического излучения по всему полю ения. Высокое пространственное разрешение делает метод сканирующей лнопольной микроинтерферометрии эффективным инструментом для изучения формы внутренней структуры биологических объектов клеточного масштаба.

Любая задача наблюдения и регистрации явления интерференции света едполагает использование детектора излучения, будь то человеческий глаз, отопластина или матрица цифрового фотоаппарата. Следовательно, терференционная картина определяется не только свойствами источника излучения, раметрами оптической схемы и структурой объекта исследования, но и

характеристиками применяемого детектора. Использование современных цифровы. систем регистрации, обработки и визуализации интерференционных картин требуе учета спектральных и пространственных параметров матричных фотодетекторов пр] качественном и количественном анализе интерферограмм, особенно полихроматическом свете.

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

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

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

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

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

• Разработка алгоритмов решения обратной задачи в сканирующе! интерференционной микроскопии слоистых микрообъектов, и разработк программного комплекса, позволяющего визуализировать, анализировать I проводить количественные измерения параметров микроформы и микроструктур объектов технического и биологического происхождения.

• Анализ взаимного влияния спектральных свойств матричного кремниевого детектор и источника излучения на регистрируемую низкокогерентную интерференционну картину.

• Установление физических особенностей использования цветных датчико изображения в низкокогерентной интерферометрии, установление влияни спектральных параметров таких датчиков на формируемые в низкокогерентно! интерферометрии сигналы и изображения в полихроматическом свете.

Научная новизна работы:

• Развита теория формирования изображений слоистых объектов в низкокогерентно! микроинтерферометрии с учетом эффектов пространственной когерентности дл случая интерференции трех и более оптических полей.

• Разработан алгоритм решения обратной задачи в сканирующей полнопольно! микроинтерферометрии, разработано программное обеспечение, позволяюще проводить исследования объектов биологического и технического происхождения н сканирующем полнопольном микроинтерферометре.

• Разработаны теоретические основы и проведен анализ взаимного влияния источник излучения, детектора и, непосредственно, интерферометра, на спектральный соста излучения, формирующего интерференционную картину и связанный нил интерференционный сигнал.

Разработаны теоретические основы и проведен анализ эффектов, связанных с использованием цветного датчика изображения для регистрации интерференционного сигнала.

Научная и практическая значимость работы

Результаты диссертационной работы развивают и дополняют теоретические и кспериментальные основы метода полнопольной сканирующей низкокогерентной икроинтерферометрии.

В работе предложены методы моделирования и учета влияния эффектов, вязанных с использованием кремниевых матричных детекторов изображения, онохромных и цветных, для регистрации интерференционного сигнала, в изкокогерентной микроинтерферометрии.

В ходе выполнения работы разработан полнопольный сканирующий изкокогерентный микроинтерферометр для исследования рельефа поверхности и нутренней структуры объектов технического и биологического происхождения, азработаны алгоритмы сканирования, визуализации и анализа данных, решения братной задачи.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

. Теоретическая интерпретация и математическая модель формирования интерференционного изображения тремя и более оптическими волнами с учетом эффектов пространственной и временной когерентности интерферирующих оптических волн.

, Алгоритм решения обратной задачи полнопольной сканирующей интерферометрии и основанный на нем программный комплекс, позволяющий визуализировать, анализировать и проводить количественные измерения параметров микроформы и микроструктуры объектов технического и биологического происхождения. . Параметры интерференционного сигнала в частично когерентном свете, формируемого в сканирующем интерференционном микроскопе, - огибающая, период и положение интерференционных осцилляции, определяются совместным влиянием параметров спектра излучения источника, спектра чувствительности детектора и спектра пропускания оптических элементов интерферометра, включая используемые оптические фильтры, а также спектральными свойствами объекта исследования.

. Параметры интерференционного сигнала в полихроматическим свете - ширина огибающей интерференционного импульса и период осцилляции, регистрируемого в интерференционном микроскопе с матричным цифровым датчиком изображения, существенным образом зависят от настроек баланса белого цветного датчика изображения, используемого в качестве фотодетектора интерференционного изображения.

Лнчный вклад автора диссертации

Соискателем выполнена разработка схемного решения и сборка полнопольного канирующего низкокогерентного микроинтерферометра при консультативном участии .ф.-м.н. Лычагова В.В. Лично соискателем разработаны алгоритмы сканирования и осстановления формы и структуры объекта, на их основе разработано программное беспечение. Эксперименты по изучению совместного влияния компонентов системы на

эффективные спектры проведены совместно с аспирантом Смирновым И.В. Личт соискателем получены и проанализированы данные о влиянии настройки баланса белоп цветного детектора изображения на форму огибающей интервенционного импульса Совместно с научным руководителем выполнено обсуждение результатов i формулировка выводов по диссертационной работе.

Достоверность полученных в работе результатов и выводов обусловлен; применением широко используемого в физической оптике теоретического аппарат; описания процессов формирования оптических изображения и интерференции частичнс когерентного света в интерференционных системах, включая системы оптическо! микроскопии, а также соответствием результатов экспериментальных исследований формального теоретического анализа и численного моделирования интерференционны, изображений и сигналов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались н< международной междисциплинарной школе по оптике, лазерной физике и биофизик Saratov Fall Meeting International School for Junior Scientists and Students on Optics, Lase Physics and Biophotonics (SFM) (Саратов, Россия, 2005-2011 гг.), на междисциплинарно! международной конференции Optics + Photonics (Сан-Диего, США, 2006, 2008 гг.), ш международной конференции European Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) (Мюнхен, Гремания, 2009 г.)

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатны работах, из которых 8 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 5 статей трудах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав заключения и списка цитируемой литературы, состоящего из 102 наименований Диссертация изложена на 132 страницах, содержит 89 рисунков.

Работа выполнена на кафедре оптики и биофотоники Саратовског государственного университета им. Н.Г. Чернышевского и в лаборатории пробле когерентно оптических измерений и точной механике Института проблем точнор механики и управления РАН.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложена цель и задач исследования, кратко изложено содержание работы и сформулированы основны положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены теоретические вопросы формировани интерференционного сигнала от объектов сложной внутренней структуры в система полнопольной сканирующей низкокогерентной микроинтерферометрии с учето\ эффектов поперечной и продольной когерентности [2,6,7].

На рис. 1 схематично показано сечение слоистого объекта - локальной пленки н подложке, и возможные графики для разностей хода трех объектных А,(х,J'), А2(х,у) А3 (х, у) и опорной Ак(х,у) волн относительно отсчетной плоскости, совмещенной гранью делительного кубика.

Рис. I. Профиль поверхности исследуемого объекта (а)\и соответствующее ему распределение оптической разности хода волн, отраженных границами раздела (б)

Для описания интерференционного сигнала от такого сложного многослойного |бъекта получено выражение:

/Ы-

к=\..М

) = ГЦ10 +

+ 2/о Е гк>'к\Гкк\С05

2л-

(А* {х>У)~Ьк{х,у))+<рк - ср0К

(П

+ 2/0 I £/Л|Га«|С05

к=1Мт=1..М

2л

Лп

(л^(х,у)-А„(х,у))+<рк -<рт

ие Укт = У(^к{х>у)~Ь-т(х,у]), г(А)=Г(д)//0, /0 - интенсивность исходного птического поля, Г(л) = ^Ед(р,:,г)Е0*(р,г,1-А/с)) при АДг«ри, гд. -|мплитудный коэффициент, ДА. (х,у) - оптическая разность хода ¿-¿7 волны от некоторой ггсчетной плоскости, <рк - фазовые сдвиги волн при их отражении от соответствующих ¡оверхностей в объекте, <роя - фазовый сдвиг опорной воны, Я0 - центральная длина ¡олны.

Выражение (1) показывает, что картину интерференции нескольких волн можно (редставить в виде суммы отдельных интерференционных картин, возникающих в юзультате наложения и интерференции отдельных пар волн. Его можно использовать |ля расчета и компьютерного моделирования интерференционных картин, ;бразующихся в многослойном объекте, когда требуется определить вклад многих слоев ¡бъекта в результирующую картину интерференционных полос.

В ходе выполнения работ по данному разделу на базе интерференционного щкроскопа МИИ-4 разработан полнопольный сканирующий низкокогерентный 1икроинтерферометр, предназначенный для изучения рельефа поверхности и внутренней 'труктуры объектов биологического и технического происхождения [1,3,4,5,8]. Оптическая разрешающая способность микроинтерферометра составляет ~ 1 мкм. величина минимального контролируемого перемещения объекта 0.015 мкм, продольное •азрешение системы определяется шириной интерференционного импульса и составляет ' 1.5 мкм. В первой главе описана его оптико-механическая схема, приведены примеры [езультатов выполненных с помощью микроинтерферометра экспериментов, в числе юторых исследование качества обработки поверхности, изучение поверхностной |труктуры микропроцессора, исследование формы объектов биологического (роисхождения на клеточном уровне.

Во второй главе описан разработанный алгоритм решения обратной задачи, полнопольной микроинтерферометрии. Создан программный комплекс, позволяющей проводить исследования объектов биологического и технического происхождения н;г сканирующем полнопольном микроинтерферометре, восстанавливать и визуапизировап) внутреннюю структуру и рельеф поверхности. Предложена методика восстановления к визуализации внутренней структуры и рельефа поверхности, реализованы алгоритмы машинного зрения. На рис. 2 приведены примеры применения разработанный алгоритмов для создания трехмерной модели поверхности объекта.

I 1

м' о

0 т 100

150

Ьо

Рис. 2. Трехмерная модель поврехности микросхемы (а) и трехмерное представление структуры кристаллизованного солевого раствора белка на стеклянной подложке (б), построенные на основе данных, полученных в ходе сканирования на полнопольном низкококгерентном микроинтерферометре

Для анализа сигнала в разработанном программном обеспечении использован^ связка алгоритмов обработки сигнала - метод фазовых шагов / Фурье- фильтрация.' Благодаря такой комбинации стало возможным эффективно выделять полезный сигнал, из регистрируемых данных. В результате обработки сигнала, положения центров' огибающих интерференционных импульсов могут быть определены с высокой! точностью, главным образом зависящей от величины шага позиционера, а не от ширины' имггульса. Таким образом при изучении рельефа поверхности можно говорить о' продольной разрешающей способности, равной минимальному шагу перемещения' объекта, который в данном случае составляет-15 нм.

Также во второй главе описана разработанная узкоспециализированная программа^, сканирования эритроцитов в мазке крови на стеклянной подложке, позволяющая в1 автоматическом режиме обрабатывать большой объем экспериментального материала., Такая автоматизация необходима в медицинских исследованиях, поскольку позволяет* добиться сразу двух важных свойств системы. Во-первых, из результатов обработки, исключается человеческий фактор, поскольку все измерения производятсяк автоматически. Во-вторых, высокая скорость обработки большого объема данных( позволяет изучать большее число клеток в одном мазке крови по сравнению с) аналогичным измерениями, обрабатываемыми вручную, что делает результаты более1 статистически достоверными [10]. На рис. 3 изображен фрагмент поверхности мазка крови с отдельно лежащим эритроцитом, восстановленный из данных, полученных в1 ходе сканирования и последующей обработки разработанным алгоритмом.

Рис. 3. Отдельно лежащий эритроцит в мазке крови человека

В третьей главе описано взаимное влияние элементов интерферометра в олихроматическом свете на спектральный состав излучения, формирующего ¡нтерференцнонный сигнал. Проведено численное моделирование и экспериментальные змерения эффективных спектров и соответствующих функций когерентности для рзличных случаев использования источника и детектора, достижимых на практике, (зучено влияние цветовой температуры теплового источника излучения на эффективный (тектр [8].

На рис. 4а представлены эффективные спектры излучения теплового источника вета при температурах 1900 К и 2800К (температуры лампы накаливания), ¡егистрируемого кремниевым детектором Sony ICX204AL. Рис. 46 демонстрирует эответствующие этим спектрам функции когерентности. Данное моделирование ^полнено на основании данных о спектре чувствительности датчика изображения, редоставленных производителем. Рис. 4 демонстрирует существенную зависимость ффективного спектра и функции когерентности от цветовой температуры источника злучения.

а б

Рис. 4. Спектр чувствительности кремниевого матричного датчика изображения Sony ICX204AL по данным производителя (пунктир), спектры излучения теплового источника при температурах 2800К и 1900К (штриховые линии), соответствующие им результирующие спектры (сплошные линии) (а), и нормированные функции когерентности (пунктир) и их огибающие (сплошная линия) (б)

На рис. 5а представлены эффективные с учетом влияния спектральных свойсп оптических элементов, входящих в состав микроинтерферометра, для которы смоделированы и представлены на рис. 56 функции когерентности.

Ц \ // \ \

к'.

, -Л

// ¿Л /

ж

200 400 600 800 1000 лллна волны, нм

-4 0 2 4

разность хода, мкм

а б

Рис. 5. Спектр чувствительности Sony 1CX204AL (пунктир), спектр пропускания интерферометра (две точки - тире), спектры излучения теплового источника при температурах 2800К и 1900К (штриховые линии), соответствующие им результирующие спектры (сплошные линии) (а), и нормированные функции когерентности (пунктир) и их огибающие (сплошная линия) (б)

На рис. 6а представлены эффективные спектры системы с учетом влияния спектр^ пропускания ИК-фильтра, поставляемого в комплекте с камерой, для которы;1 смоделированы и представлены на рис. 66 функции когерентности.

1 'г

200 400 «Ю 800 1000 длина ВОЛНЫ. 1[М

•4 0 1 4

разность хода, мкм

а б

Рис. 6. Спектр чувствительности Sony ICX204AL (пунктир), спектр пропускания интерферометра (две точки - тире), спектр пропускания ИК-фильтра (точка - тире), спектры излучения теплового источника при температурах 2800К и 1900К (штриховые линии), соответствующие им результирующие спектры (сплошные линии) (а), и нормированные функции когерентности (пунктир) и их огибающие

(сплошная линия) (б)

В третьей главе работы установлено влияние цветовой температуры на форму.; центральную длину волны и ширину эффективного спектра. Также построены функцш-f когерентности, соответствующие рассмотренным параметрам освещения и показанв зависимость ширины огибающей от цветовой температуры источника излучения. Такжеь

ановлено влияние спектра пропускания оптических элементов микроинтерферометра эффективный спектр излучения

В четвертой главе описаны эффекты, связанные с использованием цветного тектора изображения в интерферометрии в полихроматическом свете. Изучено ияние цветовой температуры источника излучения на эффективные спектры, гистрируемые каждым из каналов детектора. Обнаружено и изучено влияние настроек танса белого на форму огибающей суммарного интерференционного импульса и риод интерференционных осцилляции.

В результате проведенных исследований установлено, что цветовая температура точника излучения оказывает влияние на центральную длину волны и ширину фективного спектра, а также на ширину огибающей функции когерентности при гистрации сигнала цветной ПЗС или КМОП камерой. Это влияние незначительно для КТ в практически реализуемых условиях освещения при цветовой температуре точника в диапазоне 1900-2800 К (температура лампы).

Кроме того выявлено, что параметры наблюдаемого в микроинтерферометре в дихроматическом свете интерференционного сигнала зависят от настройки баланса лого цветного датчика изображения. Для оценки влияния искаженной цветокоррекции интерференционный сигнал были смоделированы интерференционные импульсы, гистрируемые системой с различными настройками. В качестве источника излучения та выбрана лампа накаливания с цветовой температурой 2850 К. Моделирование 1гнала производилось в широком диапазоне настройки баланса белого: для цветовых мператур от 1200 К (свечение металла) до 18000 К (пасмурный день). На рис. 7 иведены интерференционные импульсы и их огибающие в каждом из цветовых налов, а так же суммарный импульс для некоторых случаев цветокоррекции.

Цветной RGB датчик изображения представляет собой три независимых текторах, регистрирующих интерференционный сигнал. Для каждого из них рактерен свой эффективный спектр, а значит и функция когерентности. Однако если ожить сигнал в каждом из цветовых каналов, то можно говорить о некотором ртуальном монохромном детекторе, спектр чувствительности которого соответствует мме спектров чувствительности всех цветовых каналов с учетом масштабирующих эффициентов, вводимых для корректировки баланса белого. В этом случае суммарная ункция когерентности может быть представлена как сумма трех функций герентности с соответствующими масштабирующими коэффициентами:

(2)

с=1 .3

е Г. (д) - функция временной когерентности излучения, регистрируемого ответствующим цветовым каналом детектора, нормированная на единицу.

На рис. 8а представлены значения ширины суммарного интерференционного мпульса при различных настройках баланса белого на полувысоте (кругами) и на тсоте 1/е (квадратами). Рис. 86 иллюстрирует зависимость периода нтерференционных осцилляций. Первые точки соответствуют случаю настройки анса белого на излучение светодиода, остальные рассчитаны для баланса белого, строенного на тепловые источники излучения при различных цветовых температурах.

I) 5 -5 II

разность хода, мкм

о

разность хода. мкм

Рис. 7. Действительная часть и огибающая функции когерентности излучения, детектируемого каждым из цветовых каналов (слева на право: красный, зеленый, синий) и суммарная функция когерентности для излучения лампы накаливания (2850 К) и цветокоррекции на тепловые источники света: 5600 К (а), 2850 К (б), и

белый светодиод (в)

- -.5'

£ 10

г 1.5

3 1.0

и и

О О

.................

0 5000 10000 15000 цветная температура (оа.таис белого». К

¿0.60,

50.50-

*

о о о

ОО о

0 5000 НКИШ 15(100

цнетшая температура (оалаие белого). К

Рис. 8. Ширина суммарного интерференционного импульса при различных настройках баланса белого на полувысоте (кругами) и на высоте 1/е (квадратами) (а) и период интерференционных осцилляций (б). Первые точки на графиках соответствуют настройке баланса белого на излучение светодиода

Представленные результаты моделирования указывают на существование настроек меры, обеспечивающих минимальную ширину интерференционного импульса для иного спектра излучения источника. Это позволяет добиться максимального одольного разрешения интерферометрической системы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан полнопольный сканирующий низкокогерентный микроинтерферометр базе МИИ-4, предназначенный для изучения рельефа поверхности и внутренней

руктуры объектов биологического и технического происхождения.

2. Сформулированы выражения, описывающие интерференционный сигнал от ожного многослойного объекта, наблюдаемый в полнопольном интерферометре, когда ебуется определить вклад многих слоев объекта в результирующую картину терференционных полос. Полученные выражения позволяют проводить расчеты и мпьютерное моделирование интерференционных картин.

3. Представлен алгоритм решения обратной задачи в сканирующей полнопольной икроинтерферометрии и описано разработанное программное обеспечение,

зволяющее проводить исследования объектов биологического и технического оисхождения на сканирующем полнопольном микроинтерферометре. Предложена етодика восстановления и визуализации внутренней структуры и рельефа поверхности, ализованы алгоритмы машинного зрения.

4. Представлен анализ взаимного влияния различных элементов, входящих в состав икроинтерференционной установки, таких как источник излучения, детектор и, посредственно, интерферометр, на спектральный состав излучения, формирующего терференционную картину. Установлено влияние спектра пропускания оптических [ементов микроинтерферометра на эффективный спектр излучения.

5. Смоделированы эффективные спектры, формирующие интерференционную ртину, для практически достижимых цветовых температур теплового источника лучения: 1900К и 2800К. Установлено влияние цветовой температуры на форму, нтральную длину волны и ширину эффективного спектра. Так же построены функции герентности, соответствующие рассмотренным параметрам освещения и показана висимость ширины огибающей от цветовой температуры источника излучения, олученные в ходе компьютерного моделирования результаты подтверждены спериментально.

6. Установлено, что цветовая температура источника излучения оказывает влияние на нтральную длину волны и ширину эффективного спектра, а так же на ширину функции герентности при регистрации сигнала цветной ПЗС или КМОП камерой. Это влияние значительно для ОКТ в практически реализуемых условиях освещения при цветовой мпературе источника в диапазоне 1900-2800 К (температура лампы накаливания).

7. Выявлено, что параметры наблюдаемого в микроинтерферометре в дихроматическом свете интерференционного сигнала зависят от настройки баланса лого цветного датчика изображения. При этом реализуется возможность достижения тимальных для данных условий эксперимента настроек, обеспечивающих

инимальную ширину огибающей импульса или отсутствие вторичных максимумов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи:

1. Лычагов В.В., A.J1. Кальянов, Лякин Д.В., Рябухо В.П., Метод дистанционной диагностик внутренней структуры слоистых сред // Квантовая электроника. 2008. Т.38. В.6. С. 563-569.

2. В.П. Рябухо, А.Л. Кальянов, Д.В. Лякин, В.В. Лычагов, Влияние ширины контура частотой спектра на поперечную когерентность оптического поля // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 108. 6. С. 979-985.

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

4. А.Л. Кальянов, В.В. Лычагов, Л.И. Малинова, А.А. Пашиев, В.П. Рябухо, Низкокогерештк полнопольпая интерферометрия объемной структуры кристаллизовавшейся капли солевого раство[ белка // Компьютерная оптика. 2010. Т. 34, № 1. С. 90-100.

5. Лычагов В.В., Рябухо В.П., Кальянов А.Л., Смирнов И.В. Низкокогерентная интерферометр!i слоистых структур в полихроматическом свете с цифровой записью и обработкой шгтерферограмм 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 techniqu for exploration of local features of emission spectrum of laser and superluminescence diodes" in Sarah Fall Meeting 2006: Coherent Optics of Ordered and Random Media I'll, edited by Dmitry A. Zimnyako Nikolai G. Khlebtsov, Proceedings of SP1E Vol. 6536 (SPIE, Bellingham. WA 2007).

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

8. Kalyanov, A. L., Lychagov. V. V., Lyakin, D. V., Ryabukho, V. P., "Method for distant diagnostics i layered media inner structure". Proceedings of SPIE Vol. 7063: Interferometry XIV: Techniques an Analysis, edited by Joanna Schmit. Katherine Creath, Catherine E. Towers, (SPIE. Bellingham, WA 200. 7063 ID.

Тезисы докладов:

1. А.Л. Кальянов, В.П. Рябухо, Д.В. Лякин, В.В. Лычагов. Функция продольной когерентност световых полей. // Материалы 11-ой Международной молодежной научной школы по оптикi лазерной физике и биофизике, «Новый ветер», Саратов, 97-99 е., 2008.

2. А.Л. Кальянов, В.П. Рябухо, Д.В. Лякин, В.В. Лычагов. Интерферометрия слоистых объектов. Материалы 11-ой Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике биофизике, «Новый ветер», Саратов, 95-97 е., 2008.

3. А.Л. Кальянов, В.П. Рябухо, Д.В. Лякин, В.В. Лычагов. Проявление пространственно-временно когерентности в интерферометре Майкельсона // Проблемы оптической физики: Материалы 9-о Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике. - Сарато 2006.

4. А.Л. Кальянов, В.В. Лычагов, Н.А. Трунина, И.В. Федосов, Н.А. Лакодина, В.В. Тучин. А. Беликов, Г.Б. Альтшулер. Исследование возможности химического отбеливания зубов, использу отверстия, в эмали. // Материалы 1 1-ой Международной молодежной научной школы по оптик лазерной физике и биофизике, «Новый ветер», Саратов, 44-47 е., 2008.

5. А.Л. Кальянов, В.В. Лычагов, Д.В. Лякин, М.А. Поликарпов, В.П. Рябухо. Проявлени пространственно-временной когерентности света в интерферометре Майкельсона // Сборник тру до IV международной конференции молодых ученных и специалистов «Оптика - 2005». - СПб, 2005.

Учебно-методические пособия:

1. Лычагов В.В., Рябухо В.П.. Кальянов А.Л. Интерференционный микроскоп для измерсни микроструктуры поверхности // в книге «Когерентно-оптические методы в измерительной техник и биофотонике». Под. ред. Рябухо В.П. и Тучина В.В. Саратов: Сателлит, 2009. 127 с.

Рябухо ВП Лякиа ДВ„ Лычагов В В.. Кальянов А.Л., Перепелицына О.А. Интерферометр Еельсона с протяженным широкополосным источником света: Учебно-методическое руководство к выполнению лабораторной работы //

hup://optics.sgu.ru/_media/library/education/scan-mich.pdf. Дата ооращения: 15.10.11.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Drexler W„ Fujimoto J.G. Eds. Optical coherence tomography: technology and applications. New York: Springer-Vcrlag Berlin Heidelberg, 2008. 1330 p.

Torok P, Kao F.-J. Techniques and Advanced Systems И Optical Imagmg and M.croscopy. New York. Springer Berlin Heidelberg, 2007. 499 p.

Dc Groot P. Stroboscopic white-light interference microscopy H Appl. Opt. 2006. Vol. 45. P-5840-5844. Warnasooriya N.. Kim M. K. LED-based multi-wavelength phase imaging interference microscopy //

Ont Express 2007 Vol. 15. P. 9239-9247.

Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л. Томографическая

объектов в частично когерентном свете // Оптика и спектроскопия. 2003. Т. 95, № 1С. 142-146. Din' Н Popescu G.. Structure and Dynamics of Live Cells Studied by Four.er Transform Light Scattering (FTLS)// Biomedical Optics, OSA Technical Digest. 2010. P. BTuE4.

Perclman L.. Confocal Light Absorption and Scattering Spectroscopic M.croscopy // Laser Science XXIV OSA Technical Digest. 2008. P. LThA3.

Tachcv K. D„ Danov K. D., Kralchevsky P. A. On the mechanism of stomatocyte-echmocyte transformations of red blood cells: experiment and theoretical model II Colloids and Surfaces B. Biointerfaces. 2004. Vol. 34, N. 2. P. 123-140.

Rudenko S. V. Characterization of morphological response of red cells m a sucrose solut.on // Blood

Cells Molecules, and Diseases. 2009. Vol. 42, N. 3. P. 252-261.

0. Wang C.-H., Popel A. S. Effect of red blood cell shape on oxygen transport in capillaries // Mathematical

Biosciences.'1993. Vol. 116,N. LP. 89-110.

1. Svctina S„ Ziherl P.. Morphology of small aggregates of red blood cells // Bioelectrochem.stry. 2008.

2. L Va7brcN A2 Dubois9'A.C.Boccara. Thermal-light full-field optical coherence tomography // Optics

1 I'aud^ B^FulWleld coherence tomography with thermal light / Laude В., De Martino A., Dravillon В.,

Benattar L„ Schwartz L. II Applied Optics. 2002. Vol. 41, N. 31. P. 6637-6645 4 A Dubois JMoreau C. Boccara. Spectroscopic ultrahigh-resolution full-field optical coherence microscopy//Optics Express. 2008. Vol. 16.N.21.P. 17082-17091.

Подписано в печать 04.08.2011г. Объем - 1 печ. л. Тираж 100. Заказ №3961 Отпечатано с оригинал-макета В ООО «Принт-Клуб» 410026, г. Саратов, ул. Московская, 160. Тел.: (845-2) 338-300

Содержание.

Введение.

1. Полнопольный низкокогерентный сканирующий микроинтерферометр.

1.1 Полнопольная микроинтерферометрия (теория).

1.1.1 Формирование микроинтерференционных изображений.

1.1.2 Проявление эффектов пространственной когерентности.

1.1.3 Интерференционный сигнал от многослойного объекта.

1.2 Сканирующий микроинтерферометр Линника.

1.2.1 Описание установки.

1.2.2 Практическое применение разработанного микроинтерферометра для исследования рельефа поверхности.

1.2.3 Практическое применение разработанного микроинтерферометра для исследования внутренней структуры прозрачных объектов.

1.3 Выводы.

2. Разработка алгоритмов обработки данных интерференционных измерений и визуализации в сканирующей интерференционной микроскопии.

2.1 Сканирование объекта.

2.2 Обработка данных методом фазового шага.

2.3 Визуализация структуры объекта.

2.4 Алгоритмы машинного зрения при сканировании эритроцитов.

2.5 Выводы.

3. Монохромный датчик изображения. Совместное влияние спектральных характеристик элементов интерферометра на сигнал.

3.1 Особенности пространственной и временной дискретизации интерференционных изображений в цифровых регистрирующих устройствах.

3.2 Монохромный детектор изображения.

3.3 Спектральные характеристики оптики микроинтерферометра и их проявление в эффективном спектре.

3.4 Экспериментальные исследования эффективных спектров в микроинтерферометре.

3.5 Выводы.

4. Цветной датчик изображения. Влияние баланса белого на параметры интерференционного сигнала.

4.1 Формирование цветного изображения.

4.2 Спектральные характеристики RGB-фильтров.

4.2.1 Влияние спектра источника на эффективный спектр.

4.2.2 Влияние спектра источника на интерференционный сигнал.

4.2.3 Интерференционный сигнал и эффективные спектры в эксперименте.

4.3 Влияние баланса белого на интерференционный сигнал.

4.3.1 Механизм настройки баланса белого.

4.3.2 Проявление настройки баланса белого в суммарном интерференционном импульсе.

4.4 Выводы.

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 19002800 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. 979985.

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 «эритроцит -плазма» нативного мазка крови человека методом полнопольной микроинтеферометрии в белом свете / Известия СГУ, серия «Физика». -2011 год. - принята в печать.

1. Drexler W., Fujimoto J.G. Eds. Optical coherence tomography: technology andapplications. New York: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. - 1330 p.

2. Torok P, Kao F.-J. Techniques and Advanced Systems // Optical Imaging and

3. Microscopy. New York: Springer Berlin Heidelberg, 2007. - 499 p.

4. De Groot P. Stroboscopic white-light interference microscopy // Appl. Opt.2006. Vol. 45. - P.5840-5844.

5. Warnasooriya N., Kim M. K. LED-based multi-wavelength phase imaginginterference microscopy // Opt. Express. 2007. - Vol. 15. - P. 9239-9247.

6. Зимняков Д.А., Резчиков А.Ф., Королев А.В., Тучин В.В. Лазерные сканирующие системы для контроля размеров в прецизионном машиностроении. // Проблемы машиностроения и надежности машин. -1997. N.5. - С.78-84.

7. Dubois A., Vabre L., Boccara A., Beaurepaire Е. High-resolution full-fieldoptical coherence tomography with a Linnik microscope // Applied Optics. -2002. Vol. 41, N. 4. - P. 805-812.

8. Vabre L., Dubois A., Boccara A.C. Thermal-light full-field optical coherencetomography // Optics Letters. 2002. - Vol. 27, N. 7. - P. 530-532.

9. Laude В., Martino A.De, Dravillon В., Benattar L., Schwartz L. Full-field coherence tomography with thermal light // Applied Optics. 2002. - Vol. 41, N. 31.-P. 6637-6645.

10. Лякин Д.В., Лобачев М.И., Резчиков А.Ф., Рябухо В.П., Миненкова И.Ф. Лазерная сканирующая интерференционная система для определения толщины слоистых микроструктур // Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. - №4. - С.10-14.

11. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л. Томографическая микроскопия трехмерных фазовых объектов в частично когерентном свете // Оптика испектроскопия. 2003. - Т. 95, № 1. - С. 142-146.р.

12. Moneron G., Boccara А.С., Dubois A. Polarization-sensitive full-field optical coherence tomography // Optics letters. 2007. - Vol. 32, N. 14. - P. 20582060.

13. Model M., Ryabukho V., Lyakin D., Lychagov V., Vitkin E., Itzkan I. and Perelman L. Autocorrelation Low Coherence Interferometry // Optics Communications. 2008. - V. 281. - P. 1991 -1996.

14. Ding H., Popescu G. Structure and Dynamics of Live Cells Studied by Fourier Transform Light Scattering (FTLS) // Biomedical Optics, OSA Technical Digest. 2010. - P. BTuE4.

15. Wang C., Lin J., Chen H., Lee C. Dynamics of cell membranes and the underlying cytoskeletons observed by noninterferometric widefield optical profilometry and fluorescence microscopy // Opt. Lett. 2006. - Vol. 31. -P.2873-2875.

16. Perelman L. Confocal Light Absorption and Scattering Spectroscopic Microscopy // Laser Science XXIV, OSA Technical Digest. 2008. - P. LThA3.

17. Wang C., Lee K., Lee C. Wide-field optical nanoprofilometry using structured illumination // Opt. Lett. 2009. - Vol. 34. - P. 3538-3540.

18. Басалаев С.П., Гуров И.П., Джабиев А.Н. и др. Методы микроскопии и профилометрии микроэлектронных структур // Оптико-электронные приборы и системы. Сб. научных статей под ред. Э.Д. Панкова, А.В. Демина. СПб: СПбГИТМО, 1997. Вып. 97. - С. 133-150.

19. Iwai Н., Fang-Yen С., Popescu G., Wax A., Badizadegan K., Dasari R. R., Feld M. S. Quantitative phase imaging using actively stabilized phase-shifting low-coherence interferometry // Opt. Lett. 2007. - Vol. 29. - P. 2399-2401.

20. Иваницкий Г.Р., Куниский A.C. Исследование микроструктуры объектов методами когерентной оптики М.: Энергия, 1981.

21. Popescu G., Deflores L., Badizadegan iL,1 'Dasari R. R., Feld M. S.7 -(1.vestigation of live cells using common path low-coherence phase microscopy // Frontiers in Optics, OSA Technical Digest-J2004. P. FTuR2.

22. Malacara D., Servin M., Malacara Z. Interferogram analysis for optical testing -Taylor & Francis NW, 2005. -546 p. X11! r ;24 20.Локшин Г.Р. Основы радиооптики M.: Интеллект, 2009. - 344 с.

23. Angelov В., М. Mladenov. On the geometry of red blood cell Geometry, Integrability and Quanti-zation, Coral Press, Bulgaria, Sofia, 2000. - P. 27-46.

24. Betz Т., Bakowsky U., Muller M. R., Lehr Bernhardt I. Conformational change of membrane proteins leads to shape changes of red blood cells // Bioelectrochemistry. 2007. - Vol. 70, N. 1. - P. 122-126.

25. Tachev K. D., Danov K. D., Kralchevsky P. A. On the mechanism of stomatocyte-echinocyte transformations of red blood cells: experiment and theoretical model // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2004. - Vol. 34, N. 2.-P. 123-140.

26. Marikovsky Y., WeinsteinR. S., Skutelsky E:, Danon D. Changes of cell shape and surface charge topography in ATP-depleted human red blood cells // Mechanisms of Ageing and Development. 1985. - Vol. 29, N. 3. - P. 309316.

27. Rasia M., Bollini A. Red blood cell shape as a function of medium's ionic strength and pH // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) Biomembranes. -1998. - Vol.1372, N. 2. - P. 198-204.

28. Rudenko S. V. Characterization of morphological response of red cells in a sucrose solution // Blood Cells, Molecules, and Diseases. 2009. - Vol. 42, N. 3.-P. 252-261.

29. Wang C.-H., Popel A. S. Effect of red blood сё11 shape on oxygen transport in capillaries // Mathematical Biosciences. 1993. - Vol. 116, N. 1. - P. 89-110.

30. Rudenko S. V. Low concentration of extracellular hemoglobin affects shape of RBC in low ion strength sucrose solution // Bioelectrochemistry. 2009. -Vol. 75, N. 1.-P. 19-25.

31. Svetina S., Ziherl P. Morphology of small aggregates of red blood cells // Bioelectrochemistry. 2008. - Vol. 73, N. 2. - P. 84-91.

32. Oh W.Y., Bouma B.E., Iftimia N. Yun S.H., Yelin R., Tearney G.J. Ultrahighresolution full-field optical coherence microscopy using InGaAs camera // Optics Express.-2006.-Vol.14, N. 2.-P. 726-735.

33. Розенберг Г.В. Интерференционная микроскопия УФН, 1953. - T.L. Вып.2. - С.271-302. V,oU'

34. Ohmi M., Haruna M. Ultra-high resolution optical coherence tomography (OCT) using a halogen lamp as the light source // Optical Review. 2003. -Vol. 10, N. 5.-P. 478-481.

35. Akiba M., Kin Pui Chan. In vivo video-rafè cellular-level full-field optical coherence tomography // Journal of biomedical optics. 2007. - Vol. 12, N. 6. - P. 064024.

36. Иванов В.В., Маркелов В. А., Новиков М.А., Уставщиков С.С. Дифференциальная низкокогерентная интерферометрия для in situ диагностики прозрачных микроструктур 1)УГЙисьма в ЖТФ. 2004. - 30, Вып. 9. - С. 82-87.

37. Dubois A., Grieve К., Moneron G., Lecaque R., Vabre L., Boccara C. Ultrahigh-Resolution Full-Field Optical Coherence Tomography // Applied Optics. 2004. - Vol. 43, N. 14. - P. 2874-2883.

38. Dubois A., Moreau J., Boccara C. Spectroscopic ultrahigh-resolution full-field optical coherence microscopy // Optics Express. 2008. - Vol. 16, N. 21. - P. 17082-17091.

39. Binding J., Arous J., Léger J., Gigan S., Boccara C., Bourdieu L. Brainrefractive index measured in vivo with high-^Â defocus-corrected full-fieldnhcro

40. OCT and consequences for two-photon microscopy // Optics Express. — 2011. — Vol. 19, N. 6. P. 4833-4847. "b8 '1. Of J'

41. Latrive A., Boccara C. In vivo and in situ cellular imaging full-field optical coherence tomography with a rigid endoscopic probe // Biomedical Optics Express. 2011. - Vol. 2, N. 10. - P. 2897-2904.

42. Guo T, Ma L., Chen J., Fu X., Ни X. Microelectromechanical systems surface characterization based on white light phase shifting interferometry // Optical Engineering. 2011. - Vol. 50, N. 5. - P. 053ф6 1-7.

43. Grieve K., Dubois A., Simonutti M., Pâques M., Sahel J., Gargasson J., Boccaraо"

44. C. In vivo anterior segment imaging in the rat eye with high speed white lightfull-field optical coherence tomography // Optics Express. 2005. - Vol. 13, N. 16.-P. 6286-6295.

45. Watanabe Y., Hayasaka Y., Sato M., Tanno N. Full-field optical coherence tomography by achromatic phase shifting with a rotating polarizer // Applied Optics. 2005. - Vol. 44, N. 8. - P. 1387-1392.

46. De Groot P., de Lega X., Kramer J., Turzhitsky M. Determination of fringe order in white-light interference microscopy // Applied Optics. 2002. - Vol. 41, N. 22.-P. 4571-4578.

47. Deck L., de Groot P. High-speed noncontact profiler based on scanning whitelight interferometry // Applied Optics. 1994'.'- Vol. 33, N. 31. - P. 7334-7338.h

48. De Groot P., de Lega X. Valve cone measurement using white light interference microscopy in a spherical measurement geometry // Opt. Eng. 2002. Vol. 42, N. 5.-P. 1232-1237.

49. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. 2-е изд., испр. и доп. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2010. - 488 с.

50. Sacchet D., Moreau J., Georges P., Dubois A. Simultaneous dual-band ultrahigh resolution full-field optical coherence tomography // Optics Express. -2008. Vol. 16, N. 24. - P. 19434-19446.

51. Ge Z., Takeda M. High-resolution two-dimensional angle measurement technique based on fringe analysis // Applied Optics. 2003. - Vol. 42, N. 34. -P. 6859-6868.

52. Mehta D., Saito S., Hinosugi H., Takeda M., Kurokawa T. Spectral interference Mirau microscope with an acousto-optic tunable filter for three-dimensional surface profilometry // Applied Optics. 2003. - Vol.42, N. 7. - P. 1296-1305.

53. De Groot P., de Lega X. Signal modeling for low-coherence height-scanning interference microscopy // Applied Optics. 2004. - Vol. 43, N. 25. - P. 48214830.t« -j «

54. De Groot P., de Lega X. Angle-resolved three-dimensional analysis of surface films by coherence scanning interferometry // Optics Letters. 2007. - Vol. 32, N. 12.- 1638-1640.

55. Lehmann P. Vertical scanning white-light interference microscopy on curved microstructures // Optics Letters. 2010. - Vol. 35, No. 11. - P. 1768-1770.

56. Na J., Choi W., Choi E., Ryu S., Lee B. Image restoration method based on Hilbert transform for full-field optical coherence tomography // Applied Optics. 2008. - Vol. 47, No. 3. - P. 459-466.i V-»i

57. Carre P. Installation et utilisation du cëmparateur photoélectrique et interférentiel du Bureau International des Poids et Mesures // Metrologia. -1966.-Vol. 2, N. l.-P. 13-23.

58. Crane R. Interference Phase Measurement // Applied Optics. 1969. - Vol. 8, N. 3.-P. 538-542.

59. Creath K. Phase-Measurement Interferometry Techniques // Progress in Optics. 1988.-Vol. 26, N. 5.-P. 349-393.

60. Greivenkamp J.E., J. H.Bruning. Phase Shifting Interferometers / in «Optical Shop Testing». Ed. by Malacara D., New York: Wiley, 1992. P. 501-598.

61. Novak J. Five-step phase-shifting algorithms with unknown values of phase shift // Optik. 2003. - Vol. 114, N. 2. - P. 63-68.

62. De Lega X., de Groot P. Characterization of materials and film stacks forkaccurate surface topography measurement using a white-light optical profiler // Proc. of SPIE. 2008. - Vol. 6995, N. 69950P.

63. De Groot P., de Lega X. Transparent film profiling and analysis by interference microscopy // Proc. of SPIE. 2008. - Vol. 7064, N. 706401.

64. Hao Q., Zhu Q., Hu Y. Random phase-shifting interferometry without accurately controlling or calibrating the phase shifts // Optics Letters. 2009. -Vol. 34, No. 8. - P. 1288-1290.

65. Li В., Chen L., Tuya W., Ma S., Zhu R. Carrier squeezing interferometry: suppressing phase errors from the inaccurate phase shift / Optics Letters. -2011. Vol. 36, No. 6. - P. 996-998.

66. Duncan D., Fischer D., Dayton A., Prahl S. Quantitative Carré differential interference contrast microscopy to assess phase and amplitude // J. Opt. Soc. Am. A. 2011. - Vol. 28, No. 6. - P. 1297-1306.

67. Larkin K. Efficient nonlinear algorithm for envelope detection in white light interferometry // J. Opt. Soc. Am. A. 1996. - ^ol. 13, No. 4. - P. 832-843.

68. Dubois A. Effects of phase change onC Reflection in phase-measuring interference microscopy // Applied Optics. 2002. - Vol. 43, No. 7. - 15031507.

69. Когерентно-оптические методы в измерительной технике и биофотонике». Под. ред. Рябухо В.П. и Тучина В.В. Саратов: Сателлит, 2009.- 127 с.

70. Борн Э, Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. - 760 с.

71. S. N., "Correlation technique for exploration of local features of emission\spectrum of laser and superluminescence diodes" in Saratov Fall Meeting 2006:-

72. Schmit, Katherine Creath, Catherine E. Towers, (SPIE, Bellingham, WA 2008) 70631D.

73. Ахманов C.A., Дьяков Ю.Е., Чиркин A.C. Введение в статистическую радиофизику и оптику М.: Наука. - 1981. - 640 с.

74. Гуров И.П. Оптическая когерентная томография: принципы, проблемы и перспективы // В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики, подред. И.П. Гурова и С.А. Козлова. СПб :СП6ГУ ИТ-МО. - 2004. - С. 6-30./

75. Шабалин В.Н., Шатохина С.Н. Морфология биологических жидкостей человека. М.: Хризостом, 2001. 304 с.

76. Рапис Е.Г. Изменение физической фазы неравновесной пленки комплекса белков плазмы крови у больных с карциномой // Журнал технической физики. 2002. - Т. 72, № 4. - С. 139-142.

77. Яхно, Т.А., Седова О.А., Санин А.Г., Пелющенко А.С. О существовании регулярных структур в жидкой сыворотке (плазме) крови человека и фазовых переходах в процессе ее высыхания // Журнал технической физики. 2003. - Т. 73, №4. - С. 23-27.

78. Poliscuk R. Image Processing Methods Applied in Mapping of Lubrication Parameters // G. Bebis et al. (Eds.): Springer-Verlag Berlin Heidelberg, ISVC 2009, Part II, LNCS 5876. -2009. P. 1011-1020.

79. Абрамов А.Ю., Диков O.B., Рябухо В.П., Шиповская А.Б. Исследование процессов взаимодиффузии в тонких прозрачных средах методами лазерной интерферометрии // Компьютерная оптика. 2008. - Т. 32. № .3. -С. 253-264.

80. Резчиков А.Ф., Рябухо В.П. Высокоразрешающие интерференционныеЛметоды контроля рельефа поверхности и слоистой структуры изделий точного машиностроения и приборостроения // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2010. - №. 1. - С. 68-79.

81. Захарьевский А.Н. Интерферометры. -М.: Оборонгиз, 1952. 296 с.

82. Гудмен Д. Введение в фурье-оптику М.: Мир, 1970. -с. 364.

83. Yu L., Kim М.К. Full-color three-dimensional microscopy by wide-field optical coherence tomography // Optics Express. 2004. - Vol. 12, N. 26. - P. 6632-6641.f

84. У. Прэтт. Цифровая обработка изображений. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. -Кн. 1-312 с.

85. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений Москва:г1. Техносфера, 2005. 1072 с.юо п.