Цифровая безлинзовая голография, спектроскопия, микроэлектроника и вычислительная математика объединились, чтобы дать начало новой технологии визуального изучения объектов микромира, как живых, так и неживых – гиперспектральной голографической фурье-микроскопии. Об этом на конференции в ФИАН рассказали заведующий кафедрой физики Университета машиностроения (МАМИ) доктор физико-математических наук С.Г. Каленков и научный сотрудник МФТИ (ГУ) Г.С. Каленков, представив доклад по результатам работы, поддержанной грантом Российского фонда фундаментальных исследований.

    Группа ученых МАМИ-МФТИ под руководством С.Г. Каленкова впервые показала, что принципы Фурье спектроскопии могут быть применены для получения гиперспектральных голографических изображений микрообъектов в полихроматическом (низкокогерентном) свете. При этом был получен ряд экспериментальных результатов, подтверждающих предложенные принципы.

    Для записи гиперспектральных голограмм [3] использована оптическая схема фурье – спектрометра (ФС), в котором была произведена замена точечного приемника на ПЗС-матрицу. Современные ПЗС-матрицы обладают достаточной плотностью пикселей, а размер матрицы – порядка сантиметра – как раз соответствует характерному размеру картины дифракции микрообъекта.

    В одном из плеч ФС помещался микрообъект, создающий в плоскости регистрации широкую дифракционную картину, так что в каждом пикселе ПЗС матрицы регистрировалась спектральная интерферограмма комплексной амплитуды дифракционного поля микрообъекта. После соответствующей обработки всего массива таких интерферограмм по определенному алгоритму получается набор голограмм микрообъекта на каждой длине волны (на каждой спектральной частоте), входящей в состав излучения источника света, используемого при записи голограммы.

    Сам набор голограмм, записанных на разных спектральных частотах,как раз и называют гиперспектральной голограммой.

  На рисунке 1(а) приведена принципиальная оптическая схема макета голографического гиперспектрального Фурье-микроскопа. Полихроматическое излучение источника 1 делится кубиком 2. Призма Дове 3 направляет излучение на объект 4. Опорное поле поворачивается призмой 6, установленной на подвижном столике 7, пошаговое перемещение которого синхронизовано с регистрацией интерферограмм на матрице 8. Величина шага  d = 0,1 мкм, длина хода зеркала L = 100 мкм.

    Опуская детали, алгоритм вычисления голографических изображений микрообъекта состоит в следующем: первое – для каждого пикселя в массиве интерферограмм выполняется одномерное преобразование Фурье по переменой d, в результате получаем набор гиперспектальных голограмм дифракционного поя микрообъекта. Второе – выполняется двумерное преобразование Фурье для каждой гиперспектральной голограммы, в результате получаем комплексную амплитуду поля объекта. Вычислив ее квадрат модуля, получаем изображение микрообъекта для каждой спектральной компоненты. Описанный алгоритм цифровой обработки полученных интерферограмм и формирования изображения микрообъекта схематично приведен на рисунке 1(b).

    Для экспериментального подтверждения возможности получения изображений и демонстрации пространственно-спектральной разрешающей способности метода была использована стандартная штриховая мира № 1.

    Восстановленное изображение миры приведено на Рисунке 2, из которого видно, что  минимально возможный размер деталей изображения миры соответствует дифракционному пределу разрешения.

 

    «Необходимо отметить, что, с помощью предложенного метода гиперспектральной фурье-микроскопии, мы получаем физически точную цветопередачу голографического изображения микрообъектов. Мы сравнили изображение стандартного микроскопного образца, рисунок 3 (g), среза корня лотоса, полученное в обычный микроскоп с гиперспектальным изображением, рисунок 3 (h). Для этого мы каждую спектральную компоненту окрасили в соответствии стандарта цветопередачи CIE 1931 и, объединив все слои, получили полноцветное изображение микрообъекта. На рисунке 3 (a-e) представлены изображения мирообъекта на различных спектральных компонентах, на (f) полноцветное синтезированное изображение» – отметил С.Г. Каленков

 

    Отметим наиболее существенное преимущество гиперспектральной фурье - голографии.  Поскольку в основе метода лежат принципы Фурье-спектроскопии, то она естественным образом наследует все сильные стороны этих принципов: беспрецедентно высокое отношение сигнала к шуму и, как следствие, высокое разрешение голографического изображения, по сравнению, например, с гипреспектральными голограммами,  получаемыми с помощью перестраиваемого по частоте лазера.

    Как известно из теории фурье-спектроскопии, высокое отношение отношения оптического сигнала к шуму связано с так называемым выигрышем Фелжета, физическая причина которого обусловлена тем, что все спектральные компоненты объектного поля регистрируются за время одной экспозиции, равное времени одного скана подвижного зеркала. Как было показано в работах группы ученых МАМИ-МФТИ, предложенный метод позволяет простым и удобным способом значительно подавлять спекл-шум, неизбежно возникающий при записи мультиспектральных голограмм с помощью, например, перестраиваемого лазера. Следует особо подчеркнуть, что предложенный метод особенно перспективен для регистрации биологических объектов. Дело в том, что, как правило, такие объекты прозрачны в видимом диапазоне, т.е. они невидимы в обычный микроскоп.

    Цернике впервые описал метод фазового контраста в приложении к микроскопии,  позволяющий визуализировать прозрачные объекты. Его открытие легло в основу фазово - контрастного микроскопа, который в настоящее время нашел широкое практическое применение.  Однако,   такой микроскоп  годится для визуализации достаточно тонких объектов, вносящих лишь малый набег фазы световой волны. Предложенный же российскими учеными метод, кроме того что лишен этого ограничения, позволяет регистрировать оптическую толщину прозрачных микрообъектов  во всем спектральном диапазоне длин волн.

 

    Таким образом, получаем возможность визуализировать прозрачные объекты без предварительного их окрашивания во всем гиперспектральном диапазоне. Разумеется,  описанная здесь технология записи гиперспектральных голографических изображений стала возможной благодаря высоким вычислительным возможностям современных компьютеров и высокой плотности записи современных средств регистрации оптических изображений.

   Наконец следует отметить, что был предложен и экспериментально подтвержден метод записи и восстановления гиперспектральных голограмм в некогерентном свете. Это обстоятельство особенно существенно для записи гиперспектральных голограмм не только в видимом диапазоне, но, например, в терагерцовом  или рентгеновском диапазоне длин волн.

Публикации по теме доклада:

1. С.Г. Каленков, Г.С. Каленков, А.Е. Штанько, «Фурье-спектрометр как система голографического изображения микрообъектов в низкокогерентном свете», Измерительная техника №11, (2012), с.21-25.

2. С.Г. Каленков, Г.С. Каленков, А.Е. Штанько, «Пространственно-спектральная цифровая голография микрообъектов в низкокогерентном свете», Радиотехника и электроника, 58, №12, (2013) с.1-6.

3. S. G. Kalenkov, G. S. Kalenkov, A. E. Shtanko “Spectrally-spatial fourier-holography”, Optics Express, 21, No. 21, (2013), 24985-24990.

По материалам АНИ «ФИАН-информ»