[go: up one dir, main page]

RU2545494C1 - Digital holographic method - Google Patents

Digital holographic method Download PDF

Info

Publication number
RU2545494C1
RU2545494C1 RU2013147135/28A RU2013147135A RU2545494C1 RU 2545494 C1 RU2545494 C1 RU 2545494C1 RU 2013147135/28 A RU2013147135/28 A RU 2013147135/28A RU 2013147135 A RU2013147135 A RU 2013147135A RU 2545494 C1 RU2545494 C1 RU 2545494C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cuvette
matrix
hologram
resolution
shape
Prior art date
Application number
RU2013147135/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013147135A (en
Inventor
Виктор Фёдорович Ежов
Сергей Владимирович Сельнов
Борис Ганьевич Турухано
Никулина Турухано
Валерий Анатольевич Соловей
Original Assignee
НИЦ "Курчатовский институт" Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by НИЦ "Курчатовский институт" Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова" filed Critical НИЦ "Курчатовский институт" Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова"
Priority to RU2013147135/28A priority Critical patent/RU2545494C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2545494C1 publication Critical patent/RU2545494C1/en
Publication of RU2013147135A publication Critical patent/RU2013147135A/en

Links

Images

Landscapes

  • Holo Graphy (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention may be used as a measurement system for non-invasive express diagnostics of multi-component biological media for detection of viruses, bacteria and other microorganisms. A microscope comprises a source of radiation, a focusing lens, a diaphragm and a cuvette for placement of the examined object, arranged along the optical axis, a matrix of photodetectors, an electronic-computing system, including a unit of processing, software and a PC. Additionally upstream the cuvette there is a filter to smoothen Gaussian distribution of a radiation beam and to produce even lighting along the beam cross section. The cuvette has a transparent flat input window. The output window of the cuvette has the shape of the hemisphere with a radius equal to the distance from the input to the output window of the cuvette. The matrix of photodetectors has the shape of the hemisphere, which is located in parallel to the output window of the cuvette, follows its shape and is rigidly connected to it.
EFFECT: preservation of identical light force along cuvette cross section and increased resolution of a DHM.
3 dwg

Description

Изобретение относится к цифровому голографическому микроскопу (ЦГМ) и может быть использовано в качестве измерительной системы для неинвазивной экспресс-диагностики многокомпонентных биологических сред, содержащих исследуемый объект с целью определения вирусов, бактерий и других микроорганизмов в водоемах, на Земле и на других космических телах путем цифровой записи голограммы среды (в том числе жидкой) и цифрового восстановления ее изображения с сохранением амплитуды и фазы волны. ЦГМ (DIHM - Digital In-Line Holographic Microscope) позволяет также определить характеристики рассеяния интенсивности электромагнитного излучения на исследуемом объекте, его распределение по объему среды, определение глубины и его положение в 3- и 4-координатном пространстве, направление движения (трека), скорость, размер, осуществить накопление информации, сравнение объекта с тест-объектами и т.д.The invention relates to a digital holographic microscope (CTM) and can be used as a measuring system for non-invasive express diagnostics of multicomponent biological media containing the studied object in order to determine viruses, bacteria and other microorganisms in water bodies, on the Earth and on other space bodies by digital recording a hologram of the medium (including liquid) and digital restoration of its image while maintaining the amplitude and phase of the wave. DIHM (Digital In-Line Holographic Microscope) also allows you to determine the characteristics of the scattering of the intensity of electromagnetic radiation on the studied object, its distribution over the volume of the medium, determining the depth and its position in 3- and 4-coordinate space, the direction of movement (track), speed , size, accumulate information, compare the object with test objects, etc.

ЦГМ относится к измерительным системам для автоматического контроля, технического диагностирования, системам распознавания образов (объектов) и передачи измерительной информации. Такие устройства используются на поверхности Земли, в скважинах или на разных глубинах водоемов для определения их биологических компонент. Система допускает полную автоматизацию.TsGM refers to measuring systems for automatic control, technical diagnostics, pattern recognition systems (objects) and transmission of measurement information. Such devices are used on the surface of the Earth, in wells, or at different depths of water bodies to determine their biological components. The system allows full automation.

Появлению устройств ЦГМ способствовало развитие современной элементной базы микроэлектроники - появление лазерных полупроводниковых и квазикогерентных светодиодов, матричных фотоприемников CCD (Charge-Coupled-Device), CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) и др. матриц (в дальнейшем - "матрицы"), а также реализация различных алгоритмов обработки изображений на стационарных и портативных ПК, позволяющих создать мобильные, автономные и портативные средства для осуществления сетевой дистанционной системы экспресс-анализа в различных точках и обрабатывать данные в реальном времени.The emergence of CGM devices was facilitated by the development of the modern element base of microelectronics - the advent of laser semiconductor and quasicoherent LEDs, CCD (Charge-Coupled-Device), CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) photodetectors and other matrices (hereinafter referred to as “matrices”), as well as the implementation of various image processing algorithms on stationary and laptop PCs, allowing you to create mobile, autonomous and portable tools for implementing a network remote express analysis system at various points and process data in real time.

ЦГМ может восстанавливать изображение заданного объекта с объема биологической среды сложного состава.A CTM can restore an image of a given object from a volume of a biological medium of complex composition.

Объектами могут служить рачки, бактерии и другие микроорганизмы, а также, к примеру, микрочастицы, следы ядерных заряженных частиц в облученной на ускорителях пузырьковой камере /1/ и т.д.Objects can be crustaceans, bacteria and other microorganisms, as well as, for example, microparticles, traces of nuclear charged particles in a bubble chamber irradiated at accelerators / 1 /, etc.

/1/ [Турухано Б.Г. Накопление информации на голограмме по глубине восстановленного изображения и загрузка пузырьковой камеры треками. ЖТФ, т.90, №1, с.181-187, т. 1970]./ 1 / [Turukhano B.G. Accumulation of information on the hologram by the depth of the reconstructed image and loading of the bubble chamber with tracks. ZhTF, vol. 90, No. 1, pp. 181-187, vol. 1970].

Устройство способно сохранить все данные в своей базе и осуществить их анализ в реальном времени или постфактум. Причем эти процессы и обработку данных можно осуществить в автоматическом режиме /2/.The device is able to save all the data in its database and analyze them in real time or ex post. Moreover, these processes and data processing can be carried out in automatic mode / 2 /.

/2/ [Консультативный центр МАТЛАБ компания SoftLine http://www.nsu.ru/matlab/MatLab_RU/default.asp.htm]./ 2 / [MATLAB Advisory Center SoftLine company http://www.nsu.ru/matlab/MatLab_RU/default.asp.htm].

Для решения более широкого и полного круга задач и определения координат точечных объектов была выполнена и стала доступна и другая программа /3/.To solve a wider and more complete range of tasks and determine the coordinates of point objects, another program was completed and became available / 3 /.

/3/ [Программа для восстановления голографически записанных изображений и определения пространственного расположения точечных объектов "Digital Holography"». Свидет-во об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009614972 от 11.09.2009]./ 3 / [Program for restoring holographically recorded images and determining the spatial location of point objects "Digital Holography". " Certificate of official registration of the computer program No. 20099614972 of September 11, 2009].

Эти программы позволяют осуществить полный завершенный круг регистрации голограммы с помощью матрицы фотоприемников и вести обработку ее восстановленного изображения.These programs allow you to complete a complete circle of registration of a hologram using an array of photodetectors and process its reconstructed image.

Устройство ЦГМ, в общем случае, состоит из двух частей: оптической, необходимой для создания голографической интерференционной картины (голограммы), и электронно-вычислительной для цифровой ее регистрации, считывания и обработки полученных данных в реальном времени или постфактум.A TsGM device, in the general case, consists of two parts: optical, which is necessary for creating a holographic interference picture (hologram), and electronic and computing for digital recording, reading and processing of the obtained data in real time or after the fact.

В общем случае при записи голограммы используется когерентный источник излучения, как правило, лазер, газовый/твердотельный (в стационарных системах) или твердотельный (в портативных устройствах), соосная двулучевая оптическая схема, в которой располагается объем (кювета) с изучаемым объектом, а также детектор голограммы в виде матрицы фотоприемников. Наилучшее разрешение исследуемого объекта достигнуто на уровне 225 nm /4/ с использованием ультрафиолетового излучения (λ=372 nm) и CMOS-матрицы с пикселем в 1,12 µm, при этом авторы осуществили математическую обработку данных для увеличения разрешения регистрирующих фотоприемников (пикселей).In general, when recording a hologram, a coherent radiation source is used, as a rule, a laser, gas / solid-state (in stationary systems) or solid-state (in portable devices), a coaxial two-beam optical scheme in which the volume (cuvette) with the object under study is located, and hologram detector in the form of a matrix of photodetectors. The best resolution of the object under study was achieved at 225 nm / 4 / using ultraviolet radiation (λ = 372 nm) and a CMOS matrix with a pixel of 1.12 μm, while the authors performed mathematical processing of the data to increase the resolution of the recording photodetectors (pixels).

/4/ [Aloon Greenbaum, Aydogan Ozkan. Increased space-bandwidth product in pixel super-resolved lensfree on-chip microscopy. Scientific Reports, published 24 April 2013]./ 4 / [Aloon Greenbaum, Aydogan Ozkan. Increased space-bandwidth product in pixel super-resolved lensfree on-chip microscopy. Scientific Reports, published 24 April 2013].

Однако существующие в настоящее время системы и программы для ЦГМ дают лишь инструмент, позволяющий наилучшим и автоматическим образом определить характеристики изучаемого объекта при данной конфигурации конкретного ЦГМ, но не решают один из важных вопросов, а именно вопрос, связанный с повышением разрешающей способности системы на стадии записи голограммы. Поэтому с учетом имеющихся аппаратных, математических и компьютерных возможностей необходимо найти такие конструкции ЦГМ, которые позволили бы увеличить его разрешение и на уровне регистрации голограммы.However, currently existing systems and programs for DTMs provide only a tool that allows you to best and automatically determine the characteristics of the object under study with a given configuration of a particular DTM, but do not solve one of the important issues, namely the issue of increasing the resolution of the system at the recording stage holograms. Therefore, taking into account the available hardware, mathematical and computer capabilities, it is necessary to find such DTM constructions that would increase its resolution at the level of hologram registration.

Известно ЦГМ /5/ состоящее из двух систем: оптической системы для записи голограммы и системы считывания информации с голограммы в реальном времени с использованием чипа GPU (устройство графической и цифровой обработки информации). GPU рассчитывает Френелевскую дифракцию света на исследуемом объекте, зарегистрированную на голограмме, и восстанавливает его изображение.It is known TsGM / 5 / consisting of two systems: an optical system for recording a hologram and a system for reading information from a hologram in real time using a GPU chip (a device for graphic and digital information processing). The GPU calculates the Fresnel diffraction of light on the object under study, recorded on the hologram, and restores its image.

/5/ [Tomoyoshi Shimobaba, Nobuyuki Masuda and Tomoyoshi Ito. Multi-view and multi-resolution real-time digital holographic microscopy. Microscopy: Science, Technology, Application and Education, 1419-1425, 2010]./ 5 / [Tomoyoshi Shimobaba, Nobuyuki Masuda and Tomoyoshi Ito. Multi-view and multi-resolution real-time digital holographic microscopy. Microscopy: Science, Technology, Application and Education, 1419-1425, 2010].

Оптическая система содержит источник когерентного излучения (лазер), кювету с исследуемыми объектами и с плоскими окнами и регистрирующую плоскую матрицу CCD-камеры. Изображение интерференционной картины (Габоровской голограммы /6/) записывается на матрице CCD-камеры, разрешение которой 1360×1024 пикселей при размере пикселя 4,65 мкм × 4,65 мкм.The optical system contains a coherent radiation source (laser), a cuvette with the studied objects and with flat windows and recording the flat matrix of the CCD camera. The image of the interference pattern (Gabor hologram / 6 /) is recorded on the matrix of a CCD camera, the resolution of which is 1360 × 1024 pixels with a pixel size of 4.65 μm × 4.65 μm.

/6/ [D. Gabor. A new microscopic principle. Nature 161, pp 777-778, 1948]./ 6 / [D. Gabor. A new microscopic principle. Nature 161, pp 777-778, 1948].

Устройство ЦГМ работает следующим образом.The device TsGM works as follows.

Световая волна от лазера при входе в интерферометр разделяется на две части, проходя по двум его плечам.The light wave from the laser at the entrance to the interferometer is divided into two parts, passing along its two shoulders.

Одна часть волны проходит через плечо, где находится исследуемый объект, дифрагируя на нем, после чего она на выходе из интерферометра встречается со второй частью волны, проходящей неискаженной через второе плечо, и интерферирует с ней. Из оптической системы устройства изображение переносится во вторую систему для восстановления, считывания и обработки информации с помощью GPU и PC.One part of the wave passes through the shoulder, where the studied object is located, diffracting on it, after which it, at the exit from the interferometer, meets the second part of the wave passing undistorted through the second shoulder and interferes with it. From the optical system of the device, the image is transferred to the second system for restoring, reading and processing information using the GPU and PC.

Информация об исследуемом объекте представляет голограмму в виде Френелевской картины дифракции (интерференционные полосы различной формы и с различным расстоянием между ними), которая записывается на матрице CCD-камеры. Голограмма затем декодируется (восстанавливается) с помощью GPU и PC.Information about the object under study is a hologram in the form of a Fresnel diffraction pattern (interference fringes of various shapes and with different distances between them), which is recorded on a CCD camera matrix. The hologram is then decoded (restored) using the GPU and PC.

Недостатком устройства ЦГМ является запись на голограмме интерференционной картины в основном низкочастотного спектра, в результате чего система позволяет восстанавливать объекты с невысоким разрешением. Это связано с тем, что апертура матрицы записывающего устройства CCD-камеры небольшая и часть высокочастотного спектра интерференционной картины, расположенной на периферии голограммы, отсекается и теряется.The disadvantage of the TsGM device is the recording on the hologram of the interference pattern of mainly the low-frequency spectrum, as a result of which the system allows the restoration of objects with low resolution. This is due to the fact that the aperture of the matrix of the recording device of the CCD camera is small and part of the high-frequency spectrum of the interference pattern located at the periphery of the hologram is cut off and lost.

Другим недостатком можно считать Гауссово (колоколообразное) распределение интенсивности по сечению лазерного пучка, поэтому интерферограмма, записанная в плоскости матрицы CCD-камеры, различна по яркости по всей плоскости голограммы, что определяет качество записи, а при считывании приводит к различному соотношению сигнал/шум по полю матрицы и, как следствие, возможности увеличения случайных ошибок при восстановлении изображения и обработке полученных с голограммы данных.Another disadvantage is the Gaussian (bell-shaped) intensity distribution over the laser beam cross section; therefore, the interferogram recorded in the plane of the CCD camera’s matrix is different in brightness along the entire plane of the hologram, which determines the recording quality, and when reading it leads to a different signal-to-noise ratio over field of the matrix and, as a consequence, the possibility of increasing random errors during image recovery and processing of data obtained from the hologram.

Из известных устройств ЦГМ наиболее близким по технической сути является ЦГМ, описанный в работе /7/.Of the known TsGM devices, the closest in technical essence is the TsGM described in / 7 /.

/7/ [S.K. Jericho, P. Klages, J. Nadeau, E.M. Dumas, M.H. Jericho, H.J. Kreuzer. In-line digital holographic microscopy for terrestrial and exobiological research. Planetary and Space Science 58, p.701-705, 2009]./ 7 / [S.K. Jericho, P. Klages, J. Nadeau, E.M. Dumas, M.H. Jericho, H.J. Kreuzer. In-line digital holographic microscopy for terrestrial and exobiological research. Planetary and Space Science 58, p. 701-705, 2009].

Цифровой голографический микроскоп содержит источник излучения, обладающий оптической осью, направленной в сторону распространения луча, фокусирующий объектив, диафрагму и кювету с исследуемым объектом, которые расположены на оптической оси. Кювета имеет плоские - входное и выходное окна. Далее ЦГМ содержит плоскую матрицу CCD-камеры с фотоприемниками, электронно-вычислительную систему, включающую блок обработки данных, программное обеспечение, позволяющее восстанавливать изображение объекта и ПК.A digital holographic microscope contains a radiation source having an optical axis directed in the direction of beam propagation, a focusing lens, an aperture, and a cuvette with an object under study that are located on the optical axis. The cuvette has flat - entrance and exit windows. Further, the central digital computer contains a flat matrix of a CCD camera with photodetectors, an electronic computer system, including a data processing unit, software that allows you to restore the image of an object and a PC.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Луч от лазера фокусируется с помощью объектива в плоскости диафрагмы. После диафрагмы волна дифрагирует на объекте и рассеивается в виде сферических волн, которые интерферируют со световыми волнами, проходящими в этом же направлении без рассеяния, создавая интерференционную картину, которая фиксируется на матрице CCD-камеры.The laser beam is focused using the lens in the plane of the diaphragm. After the diaphragm, the wave diffracts on the object and scatters in the form of spherical waves that interfere with light waves passing in the same direction without scattering, creating an interference pattern that is fixed to the matrix of the CCD camera.

Голограмма запоминается на плоской матрице CCD-камеры в виде 2-координатной интерференционной картины, на которой фиксируется одновременно амплитуда и фаза рассеянной объектом волны. Далее картина цифровым способом восстанавливается. Суть восстановления состоит в том, чтобы из 2-координатной голограммы получить полное 3-координатное изображение объекта, что возможно благодаря тому, что на голограмме фиксировались одновременно фаза и амплитуда волны, дифрагированной на объекте. Серия голограмм, снятых в разное время с определенной скоростью, позволяет восстанавливать 4-координатную траекторию объекта. Авторами получено разрешение около 2 мкм.The hologram is stored on the flat matrix of the CCD camera in the form of a 2-coordinate interference pattern, on which the amplitude and phase of the wave scattered by the object are recorded simultaneously. Further, the picture is digitally restored. The essence of the restoration is to obtain a complete 3-coordinate image of the object from a 2-coordinate hologram, which is possible due to the fact that the phase and amplitude of the wave diffracted on the object were simultaneously recorded on the hologram. A series of holograms taken at different times at a certain speed allows you to restore the 4-coordinate path of the object. The authors obtained a resolution of about 2 microns.

Недостатком устройства является запись на голограмме, в основном, низкочастотного спектра интерференционной картины, в результате чего система позволяет восстанавливать объекты с ограниченным разрешением. Это связано с тем, что апертура записывающей плоской матрицы CCD-камеры небольшая, и высокочастотная часть спектра интерференционной картины, расположенной на периферии голограммы, выпадает из общего контекста. Кроме этого, в силу Гауссового распределения лазерного пучка интерферограмма, записанная в плоскости матрицы CCD-камеры, не одинакова по яркости и контрастности.The disadvantage of this device is the recording on the hologram, mainly of the low-frequency spectrum of the interference pattern, as a result of which the system allows you to restore objects with limited resolution. This is due to the fact that the aperture of the recording flat matrix of the CCD camera is small, and the high-frequency part of the spectrum of the interference pattern located on the periphery of the hologram falls out of the general context. In addition, due to the Gaussian distribution of the laser beam, the interferogram recorded in the plane of the matrix of the CCD camera is not identical in brightness and contrast.

Задачей предложенного изобретения является:The objective of the proposed invention is:

- сохранение одинаковой светосилы по сечению объема с исследуемыми объектами;- maintaining the same aperture in the cross section of the volume with the studied objects;

- увеличение разрешения ЦГМ;- an increase in the resolution of the CTM;

- увеличение объема с исследуемыми объектами при сохранении его компактности.- increase in volume with the studied objects while maintaining its compactness.

Задача достигается тем, что в известном ЦГМ, содержащем источник излучения, обладающий оптической осью, направленной в сторону распространения пучка излучения, фокусирующий объектив, диафрагму и кювету для размещения исследуемого объекта, расположенные вдоль оптической оси, причем кювета имеет прозрачные входное и выходное окна, а входное окно плоское, матрицу фотоприемников, электронно-вычислительную систему, включающую блок обработки, программное обеспечение, позволяющее восстанавливать изображение объекта в статике и в движении, и ПК, новым является то, что дополнительно до кюветы введен фильтр для сглаживания Гауссового распределения и получения равномерного освещения по сечению пучка, выходное окно кюветы имеет форму полусферы с радиусом, равным расстоянию от входного до выходного окна, а матрица фотоприемников имеет форму полусферы, расположена параллельно выходному окну кюветы, повторяет его форму и жестко с ним связана.The task is achieved by the fact that in the well-known DGM containing a radiation source having an optical axis directed towards the propagation of the radiation beam, a focusing lens, aperture and a cuvette for placing the object under study located along the optical axis, and the cuvette has transparent input and output windows, and the input window is flat, the matrix of photodetectors, an electronic computer system including a processing unit, software that allows you to restore the image of the object in static and in motion, and PC, it is new that, in addition to the cuvette, a filter is introduced to smooth the Gaussian distribution and obtain uniform illumination over the beam cross section, the output window of the cuvette has the shape of a hemisphere with a radius equal to the distance from the input to the output window, and the photodetector matrix has the shape of a hemisphere, located in parallel the output window of the cell, repeats its shape and is rigidly connected with it.

Такая совокупность признаков в заявляемом ЦГМ позволяет:Such a combination of features in the claimed HMC allows you to:

1 - осуществить равномерное освещение по сечению пучка путем сглаживания Гауссового распределения источника излучения;1 - to provide uniform illumination over the beam cross section by smoothing the Gaussian distribution of the radiation source;

2 - повысить разрешение ЦГМ за счет увеличения апертуры матрицы фотоприемников и ее формы в виде полусферы, позволяющей зарегистрировать высокочастотные интерференционные полосы голограммы;2 - increase the resolution of the HMC by increasing the aperture of the photodetector array and its shape in the form of a hemisphere, which allows recording high-frequency interference fringes of the hologram;

- увеличить объем с исследуемым объектом при сохранении компактности заявляемого устройства.- increase the volume with the studied object while maintaining the compactness of the claimed device.

На Фиг.1 дана блок-схема ЦГМ. На Фиг.2 изображен конкретный пример конструктивного решения предлагаемого устройства ЦГМ. На Фиг.3 для сравнения дана одновременно картина интерференции пучков в случае использования устройства ЦГМ с полусферической матрицей и с плоской.Figure 1 is a block diagram of the MHC. Figure 2 shows a specific example of a structural solution of the proposed device TsGM. In Fig. 3, for comparison, the pattern of interference of beams is given in the case of using a HMC device with a hemispherical matrix and with a flat one.

Устройство состоит из оптической и электронно-вычислительной систем. Оптическая схема содержит лазер 1, микрообъектив 2, диафрагму 3, фильтр 4, кювету с исследуемым объектом 5, матрицу 9, а электронно-вычислительная система содержит блок обработки данных 11 и ПК 12.The device consists of optical and electronic computing systems. The optical circuit contains a laser 1, a micro lens 2, an aperture 3, a filter 4, a cuvette with an object under study 5, a matrix 9, and an electronic computer system contains a data processing unit 11 and a PC 12.

На Фиг.2 изображен конкретный пример конструктивного решения предлагаемого устройства ЦГМ для записи безлинзовой Френелевской голограммы с точечным источником вспомогательной волны, где 1 - источник излучения (лазер), 2 - микрообъектив, 3 - диафрагма, 4 - фильтр для сглаживания Гауссового распределения, 5 - кювета с исследуемым объектом, 6 - плоское входное окно кюветы, 7 - полусферическое выходное окно кюветы, 8 - исследуемый объект, 9 - полусферическая матрица, повторяющая форму выходного окна кюветы 7 и состоящая из фотоприемников, θ1, θ2, θ3, θ4 - углы между объектными и вспомогательными лучами, участвующими в создании голограммы на внутренней поверхности полусферической матрицы.Figure 2 shows a specific example of a constructive solution of the proposed HMC device for recording a lensless Fresnel hologram with a point source of an auxiliary wave, where 1 is a radiation source (laser), 2 is a micro lens, 3 is an aperture, 4 is a filter for smoothing the Gaussian distribution, 5 is cuvette with the studied object, 6 — flat entrance window of the cuvette, 7 — hemispherical exit window of the cuvette, 8 — studied object, 9 — hemispherical matrix repeating the shape of the output window of the cuvette 7 and consisting of photodetectors, θ1, θ2, θ3, θ4 - angle s between the object and auxiliary rays involved in creating a hologram on the inner surface of the hemispherical matrix.

На Фиг.3. дано сравнение одновременно картин интерференции пучков в случае использования устройства ЦГМ с полусферической матрицей, предложенного в данной заявке (сплошные линии), и с плоской матрицей прототипа (линии пунктиром). Плоская матрица ЦГМ прототипа 10, а θ5, θ6, θ7, θ8, - углы между объектными и вспомогательными лучами, участвующими в создании голограммы на внутренней поверхности плоской матрицы прототипа.In figure 3. a comparison is made of the patterns of interference of beams at the same time in the case of using a HMC device with a hemispherical matrix proposed in this application (solid lines) and with a flat prototype matrix (dashed lines). The flat matrix of the CTG prototype 10, and θ5, θ6, θ7, θ8, are the angles between the object and auxiliary rays involved in creating the hologram on the inner surface of the flat matrix of the prototype.

Устройство работает следующим образом: пучок от источника излучения 1 (Фиг.1) попадает на микрообъектив 2, который фокусирует его. В фокусе микрообъектива установлена диафрагма 3, размером от нескольких единиц до долей мкм, отсекающая высокие частоты в фокусе микрообъектива с целью его очистки от когерентного шума, обусловленного дифракцией на дефектах объектива и на частицах, попадающихся на пути до исследуемого объекта. После этого пучок проходит через фильтр 4, сглаживающий его Гауссово распределение и превращающий его в равномерное по всему поперечному сечению. Далее пучок через плоское входное окно 6 поступает в кювету 5 с исследуемым объектом 8, дифрагируя на нем и направляясь сквозь прозрачное выходное окно в виде полусферы 7 в сторону полусферической матрицы 9. Кювета у своего основания (входного окна 6) имеет входное отверстие, позволяющее пропускать через него поток с исследуемыми объектами, и выходное отверстие для вывода этого потока. Как видно из Фиг.2, все рассеянные объектом лучи в пределах полусферы интерферируют с соответствующими вспомогательными (неискаженными) лучами под углами θ1, θ2, θ3, θ4 и попадают на полусферическую матрицу, создавая картину в виде интерференционных полос. На Фиг.3 пунктиром показаны дифрагированные объектом лучи, интерферирующие с референтными лучами под углами θ5, θ6, попадающими на плоскую матрицу, используемую в прототипе в качестве регистрирующей голограммы, и в этом же случае, θ7, θ8, которые не могут попасть на матрицу в силу ее ограниченного размера, будут отражаться из-за малого угла с плоской матрицей, не давая интерференцию. При существенном увеличении размеров плоского экрана, светосила периферийных лучей, попадающих на матрице, особенно под углами θ7, θ8, в силу их большой расходимости, наклонного падения и отдаленности от оси системы намного меньше по сравнению со светосилой лучей, которые регистрируются ближе к оси. В этом случае сложно записать на матрице голограмму, с которой можно получить изображение объекта с улучшенным разрешением. Для этого необходимо иметь очень большой динамический диапазон фоточувствительности фотоприемников, в то время как при записи на полусферической матрице сохраняется светосила лучей практически на всей поверхности матрицы из-за малого удаления от источника сферических волн - диафрагмы.The device operates as follows: the beam from the radiation source 1 (Figure 1) falls on a micro lens 2, which focuses it. A diaphragm 3, ranging in size from a few units to fractions of a micron, is cut off at the focus of the micro-lens, cutting off high frequencies in the focus of the micro-lens in order to clear it of coherent noise caused by diffraction by lens defects and particles that fall in the path to the object under study. After this, the beam passes through the filter 4, which smooths its Gaussian distribution and turns it into a uniform over the entire cross section. Further, the beam through a flat entrance window 6 enters the cell 5 with the studied object 8, diffracting on it and heading through the transparent exit window in the form of a hemisphere 7 towards the hemispherical matrix 9. The cell at its base (entrance window 6) has an inlet that allows passing through it a stream with the studied objects, and an outlet for the output of this stream. As can be seen from Figure 2, all the rays scattered by the object within the hemisphere interfere with the corresponding auxiliary (undistorted) rays at angles θ1, θ2, θ3, θ4 and fall on the hemispherical matrix, creating a picture in the form of interference fringes. 3, the dotted line shows the rays diffracted by the object, interfering with the reference rays at angles θ5, θ6, falling on a flat matrix used in the prototype as a recording hologram, and in this case, θ7, θ8, which cannot get on the matrix in the strength of its limited size will be reflected due to the small angle with a flat matrix, without giving interference. With a significant increase in the size of the flat screen, the aperture of peripheral rays incident on the matrix, especially at angles θ7, θ8, is much smaller due to their large divergence, oblique incidence, and distance from the system axis compared to the aperture of rays that are detected closer to the axis. In this case, it is difficult to write a hologram on the matrix with which you can get an image of an object with improved resolution. For this, it is necessary to have a very large dynamic range of photosensitivity of photodetectors, while when recording on a hemispherical matrix, the aperture ratio of the rays is preserved on almost the entire surface of the matrix due to the small distance from the source of spherical waves - the diaphragm.

Из Фиг.3 видно, что углы θi(j) (i=1, 2, 3, 4 для полусферической матрицы; j=5, 6, 7, 8 для плоской матрицы) между дифрагирующими лучами на объекте и лучами референтной волны растут по мере удаления от оси системы и приближения к входному окну кюветы 6, т.е.:Figure 3 shows that the angles θi (j) (i = 1, 2, 3, 4 for a hemispherical matrix; j = 5, 6, 7, 8 for a flat matrix) between the diffracting rays on the object and the rays of the reference wave grow along as you move away from the axis of the system and approach the input window of the cell 6, i.e.:

Figure 00000001
Figure 00000001

соответственно, и их синусы sinθi(j) также растутrespectively, and their sinuses sinθi (j) also grow

Figure 00000002
Figure 00000002

а согласно формулеand according to the formula

Figure 00000003
Figure 00000003

частота ν интерференционных полос, образованных в результате их интерференции, также растет. На Фиг.3 сплошными линиями сходятся интерферирующие лучи на внутренней поверхности полусферического экрана, а пунктирными линиями - плоского экрана ЦГМ. Т.о. в случае плоской матрицы, место пересечения лучей по мере удаления от оси также находится на большом расстоянии от нее, что требует намного больших габаритов плоских матриц.the frequency ν of the interference bands formed as a result of their interference also increases. In Fig. 3, the interfering rays converge in solid lines on the inner surface of the hemispherical screen, and in dashed lines the flat screen of the HMC. T.O. in the case of a planar matrix, the intersection of the rays with distance from the axis is also at a great distance from it, which requires much larger dimensions of the planar matrices.

Максимальный угол, образованный референтным и дифрагированным лучами, близкими к входному окну кюветы, дает пересечение у плоской матрицы, близкой к бесконечности, - а это требует существенного увеличения ее размера, что практически нереализуемо. С другой стороны, регистрация интерференции этих периферийных лучей необходима для повышения разрешения системы.The maximum angle formed by the reference and diffracted rays close to the entrance window of the cell gives the intersection of a plane matrix close to infinity, and this requires a significant increase in its size, which is practically unrealizable. On the other hand, recording the interference of these peripheral rays is necessary to increase the resolution of the system.

Такие большие размеры плоской матрицы, следовательно и системы в целом, неудобны не только для портативной, но даже для стационарной системы, т.к. в этом случае необходимо увеличить вибростойкость и термостабильность системы, которые влияют на качество (разрешение) голограммы. Особенно важно при регистрации на голограмме интерференционных полос высокой частоты и, соответственно, малых периодов, чтобы эти полосы точно сохраняли свое положение друг относительно друга в пространстве и во времени. Чем меньше период полос, регистрируемых голограммой, тем выше должно быть ее разрешение.Such large dimensions of a flat matrix, and therefore the system as a whole, are inconvenient not only for a portable, but even for a stationary system, because in this case, it is necessary to increase the vibration resistance and thermal stability of the system, which affect the quality (resolution) of the hologram. It is especially important when recording on a hologram interference fringes of high frequency and, accordingly, small periods, so that these fronts accurately maintain their position relative to each other in space and time. The shorter the period of the bands recorded by the hologram, the higher should be its resolution.

Разрешение голограммыHologram resolution

Разрешение голограммы R согласно критерию Rayleigh дается выражением:The resolution of the hologram R according to the Rayleigh criterion is given by the expression:

Figure 00000004
Figure 00000004

где k - постоянный коэффициент, зависящий от формы матрицы,where k is a constant coefficient depending on the shape of the matrix,

λ - длина волны источника излучения, f - расстояние от объекта до регистрирующего экрана, D - апертура матрицы.λ is the wavelength of the radiation source, f is the distance from the object to the recording screen, D is the aperture of the matrix.

Разрешение ЦГМ, согласно выражению (1), зависит от следующих факторов:The resolution of the HMC, according to expression (1), depends on the following factors:

а) λ - длина волны источника излученияa) λ is the wavelength of the radiation source

При создании голограммы с высоким разрешением в ЦГМ желательно использовать источник излучения, обладающий как можно более короткой длиной волны λ, что приводит к увеличению частоты интерференционных полос в плоскости регистрации голограммы, а впоследствии, при восстановлении голограммы, к более высокому разрешению восстановленного изображения объекта/ов и расширению частотного диапазона изображения объекта. Однако работать в УФ-й области и с λ<0,3 мкм - сложно, и в то же время, неоднозначно воздействие УФ-го излучения на исследуемые биологические объекты. Поэтому в существующие ЦГМ, при исследованиях биологических объектов, выбирают источники с малой λ в видимой области спектра с учетом их неразрушающего воздействия на исследуемый объект.When creating a hologram with a high resolution in a HMC, it is desirable to use a radiation source having the shortest possible wavelength λ, which leads to an increase in the frequency of interference fringes in the plane of registration of the hologram, and subsequently, when restoring the hologram, to a higher resolution of the reconstructed image of the object / s and expanding the frequency range of the image of the object. However, working in the UV region and with λ <0.3 μm is difficult, and at the same time, the effect of UV radiation on the biological objects under investigation is ambiguous. Therefore, sources of small λ in the visible region of the spectrum, taking into account their non-destructive effect on the object under study, are selected into existing HMCs when studying biological objects.

б) Апертура D (размер) матрицы ЦГМb) Aperture D (size) of the DTM matrix

Апертура D (размер) матрицы линейно связана с разрешением ЦГМ.The aperture D (size) of the matrix is linearly related to the resolution of the CMG.

Апертура регистрирующей матрицы, в существующих системах ЦГМ, зависит от ряда факторов: ограничения геометрических размеров и допустимого веса, определяемого конкретными задачами в каждом отдельном случае.The aperture of the recording matrix, in existing HMC systems, depends on a number of factors: restrictions on the geometric dimensions and allowable weight determined by specific tasks in each individual case.

Небольшие габариты ЦГМ связаны с применением заявляемого устройства на земле, в космосе и под землей, с его погружением, к примеру, на большие глубины (до нескольких километров), где диаметр скважин или погружающихся аппаратов ограничен техническими и технологическими условиями, или при их поднятии в космос, где также имеет место сильное ограничение габаритов и веса летательных аппаратов;The small dimensions of the central gas station are associated with the use of the inventive device on the ground, in space and underground, with its immersion, for example, at great depths (up to several kilometers), where the diameter of the wells or submersible devices is limited by technical and technological conditions, or when they are raised in space, where there is also a strong restriction on the size and weight of aircraft;

ЦГМ, использующие схему Габоровской соосной (online) голографии, благодаря малой апертуре записывающих матриц, осуществляют регистрацию низких пространственных частот интерферирующих пучков, которые появляются в результате интерференции при малых углах между объектным и референтным пучками. Большие углы между этими пучками, ответственные за высокие пространственные частоты, определяющие высокое разрешение восстановленного изображения исследуемого объекта, расположены на периферии голограммы и выходят за пределы габаритов регистрирующей матрицы.Due to the small aperture of the recording matrices, HMCs using the Gaborov coaxial (online) holography scheme register low spatial frequencies of the interfering beams that appear as a result of interference at small angles between the object and reference beams. Large angles between these beams, responsible for the high spatial frequencies that determine the high resolution of the reconstructed image of the object under study, are located on the periphery of the hologram and go beyond the dimensions of the recording matrix.

В случае применения схемы online записи голограммы с применением референтного соосного пучка в плоскости регистрации голограммы имеет место интерференция двух пучков с нарастающей пространственной частотой к периферии. Согласно определению передаточной функции, в оптической части ЦГМ передаточная функция A (νx, νy) представляет собой отношение выходного сигнала к входному в частотном представлении:In the case of applying the online hologram recording scheme using a coaxial reference beam in the plane of the hologram registration, there is interference of two beams with increasing spatial frequency to the periphery. According to the definition of the transfer function, in the optical part of the CGM, the transfer function A (νx, νy) is the ratio of the output signal to the input in the frequency representation:

Figure 00000005
Figure 00000005

где E(νx′,νy′) и I(νx,νy) - соответственно распределение освещенности изображения (выходного сигнала) и яркости объекта (входного сигнала), νx′, νy′ - пространственные частоты изображения, νx, νy - пространственные частоты объекта. При этом пространственная частота в пространстве объекта ν и пространственная частота в пространстве изображения ν′ связаны линейной зависимостью:where E (νx ′, νy ′) and I (νx, νy) are the distribution of the illumination of the image (output signal) and brightness of the object (input signal), νx ′, νy ′ are the spatial frequencies of the image, νx, νy are the spatial frequencies of the object . In this case, the spatial frequency in the object space ν and the spatial frequency in the image space ν ′ are connected by a linear dependence:

Figure 00000006
Figure 00000006

где β - линейное увеличение системы.where β is the linear increase in the system.

Поэтому потеря высоких частот (на входе) при регистрации интерференционной картины на матрице ЦГМ, отвечающей за тонкую структуру объекта, напрямую и линейно будет связана с потерей этих же частот в пространстве восстановленного изображения (на выходе), что приводит к уменьшению передаточной функции A (νx, νy) и разрешения системы в целом. Таким образом, увеличение разрешения ЦГМ можно достигнуть путем линейного сохранения баланса всех частот объекта и его восстановленного изображения, благодаря регистрации высоких частот интерференционных полос, зарегистрированных на матрице при данной длине волны λ.Therefore, the loss of high frequencies (at the input) when registering the interference pattern on the DTM matrix, which is responsible for the fine structure of the object, will be directly and linearly associated with the loss of the same frequencies in the space of the reconstructed image (at the output), which leads to a decrease in the transfer function A (νx , νy) and the resolution of the system as a whole. Thus, an increase in the resolution of the HMC can be achieved by linearly maintaining the balance of all frequencies of the object and its reconstructed image, due to the registration of high frequencies of interference fringes recorded on the matrix at a given wavelength λ.

Известно, что пространственная частота интерференционных полос ν, в свою очередь, зависит от угла θ между интерферирующими лучами (дифрагированными на объекте и референтными) и от длины волны λ источника излучения, согласно выражениюIt is known that the spatial frequency of interference fringes ν, in turn, depends on the angle θ between the interfering beams (diffracted on the object and reference) and the wavelength λ of the radiation source, according to the expression

Figure 00000007
Figure 00000007

Как видно из выражения (4), чем больше угол θ, тем больше частота интерференционных полос, регистрируемых на голограмме, и, соответственно, тем меньше расстояние между ними, а следовательно, тем выше должно быть разрешение для их пространственного разделения.As can be seen from expression (4), the larger the angle θ, the higher the frequency of the interference fringes recorded on the hologram, and, accordingly, the smaller the distance between them, and therefore, the higher the resolution should be for their spatial separation.

Raleigh предложил считать, что (в нашем случае) зарегистрированные на голограмме две интерференционные полосы равной интенсивности начинают разрешаться, когда главный максимум интенсивности одной полосы совпадает с первым минимумом другой полосы. При этом отношение интенсивностей в средней точке к интенсивности в максимуме равно 0,811.Raleigh suggested that (in our case) two interference bands of equal intensity recorded on the hologram begin to resolve when the main intensity maximum of one band coincides with the first minimum of the other band. The ratio of intensities at the midpoint to intensity at the maximum is 0.811.

Вблизи оптической оси голограммы - углы небольшие (Фиг.2 и 3), а их увеличение происходит по мере отдаления объектной волны от оптической оси, т.е. к периферии голограммы.Near the optical axis of the hologram, the angles are small (FIGS. 2 and 3), and their increase occurs as the object wave moves away from the optical axis, i.e. to the periphery of the hologram.

Необходимо отметить, что можно осуществить обработку данных с голограммы для достижения высокого разрешения изображения, но только в рамках тех частот, которые зарегистрировала плоская матрица. С целью регистрации матрицей высоких частот проводились работы по приближению объекта к матрице /8/ и с последующей цифровой обработкой данных.It should be noted that it is possible to process data from a hologram to achieve a high resolution image, but only within the frequencies recorded by the flat matrix. In order to register a high-frequency matrix, work was carried out to bring the object closer to the matrix / 8 / and then digitally process the data.

/8/ [Ulf Schnars and W PO Juptner. Digital recording and numerical reconstruction of holograms. Meas. Sci. Technol., 13, R85-R101, 2002]./ 8 / [Ulf Schnars and W PO Juptner. Digital recording and numerical reconstruction of holograms. Meas. Sci. Technol., 13, R85-R101, 2002].

При регистрации плоской матрицей интерференционной картины, создаваемой референтными и объектными лучами, падающими на нее под малыми углами относительно ее плоскости, часть дифрагировнных объектом лучей регистрируется матрицей, а часть отражается от ее плоскости.When a flat matrix detects an interference pattern created by reference and object rays incident on it at small angles relative to its plane, a part of the rays diffracted by the object is detected by the matrix, and a part is reflected from its plane.

Известно, что закон отражения света справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет, как в случае матрицы со светоприемниками, обладающими как плоскими, так и сферическими входными окнами - линзами (к примеру, матрицы КМОС), при этом закон не утверждает о соотношении отраженного и поглощенного света. Причем, начиная с определенного угла объектных лучей происходит их полное отражение, что приведет к тому, что соответствующие интерференционные полосы вообще не будут регистрироваться матрицей, тем самым, исключая крайнюю часть матрицы из общего процесса регистрации, и, соответственно, более высокие периферийные (крайние) частоты, которые должны были на ней регистрироваться.It is known that the law of light reflection is valid not only for ideally reflecting surfaces, but also for the boundary of two media partially reflecting light, as in the case of a matrix with light receivers having both flat and spherical input windows - lenses (for example, CMOS sensors) Moreover, the law does not state the ratio of reflected and absorbed light. Moreover, starting from a certain angle of the object rays, they are completely reflected, which will lead to the fact that the corresponding interference bands will not be recorded by the matrix at all, thereby eliminating the extreme part of the matrix from the general registration process, and, accordingly, higher peripheral (extreme) frequencies that should have been recorded on it.

В случае, когда расстояния от исследуемого объекта до плоской матрицы малы, Френелевское приближение уже недействительно и с целью получения высокого разрешения необходимо вести цифровую обработку с учетом характеристик пикселя (тип, плотность и площадь). Такая обработка нужна для повышения разрешения системы и увеличения отношения сигнал/шум для уменьшения вероятности появления ложных сигналов при восстановлении объекта и его характеристик. Кроме этого, при попытках приближения исследуемых объектов к матрице уменьшается рабочий объем кюветы, а время набора статистических данных увеличиваетсяIn the case when the distances from the studied object to the planar matrix are small, the Fresnel approximation is no longer valid and in order to obtain high resolution it is necessary to conduct digital processing taking into account the characteristics of the pixel (type, density and area). Such processing is needed to increase the resolution of the system and increase the signal-to-noise ratio to reduce the likelihood of false signals during restoration of the object and its characteristics. In addition, when trying to approximate the studied objects to the matrix, the working volume of the cell decreases, and the time for collecting statistical data increases

в) f - расстояние от объекта до регистрирующего экранаc) f is the distance from the object to the recording screen

Разрешение системы растет с уменьшением величины f (см. (1). Из Фиг.3 видно, что ход лучей, распространяющихся от исследуемого объекта до полусферической матрицы - fсм (сплошные линии), всегда меньше длины хода лучей от исследуемого объекта до плоской матрицы (случай прототипа) - fплм (их продолжение указано пунктиром), т.е. fсфмАi<fплм (Ai+Bi) (Ai - отрезок луча до полусферической матрицы, Bi - отрезок луча до плоской матрицы, i - условное порядковое число луча, возрастающее по мере удаления от оптической оси). Исключение составляют только лучи, совпадающие с оптической осью (i=0):The resolution of the system increases with decreasing f (see (1). Figure 3 shows that the path of the rays propagating from the object to the hemispherical matrix - f cm (solid lines) is always less than the length of the path from the object to the plane matrix (prototype case) - f plm (their continuation is indicated by a dotted line), i.e. f sfmAi <f plm (Ai + Bi) (Ai is the segment of the beam to the hemispherical matrix, Bi is the segment of the beam to the flat matrix, i is the conditional ordinal number beam, increasing with distance from the optical axis.) The exception is only rays coinciding e with the optical axis (i = 0):

fсфмАo<fплмBo, т.к. Ao=Bo.f sfmAo <f plmBo , because Ao = Bo.

Т.к. для данного объекта 8, изображенного на Фиг.3:Because for this object 8, shown in figure 3:

Figure 00000008
Figure 00000008

а соответствующиеand the corresponding

Figure 00000009
Figure 00000009

то очевидно, что разрешение у ЦГМ с полусферическим экраном будет выше в сравнении с плоским экраном, причем, как видно из выражения (1) и (6), в этом случае разрешение плоского экрана не только меньше, чем у полусферического экрана, но оно еще падает с удалением от оси, т.к. к периферии fплм существенно растет.it is obvious that the resolution of a HMC with a hemispherical screen will be higher in comparison with a flat screen, and, as can be seen from expressions (1) and (6), in this case the resolution of a flat screen is not only lower than that of a hemispherical screen, but it is falls with distance from the axis, because to the periphery f, plm increases substantially.

На увеличение разрешения ЦГМ влияет:The increase in the resolution of the HMC is affected by:

а) распределение интенсивности пучка излучения.a) the intensity distribution of the radiation beam.

Сохранение одинаковой интенсивности по всему сечению пучка источника излучения, перпендикулярному оптической оси, с целью получения одинаковой интенсивности интерференционных полос на поверхности матрицы, которая регистрирует голограмму. Запись голограммы с разной интенсивностью интерференционных полос приведет к дополнительным проблемам при обработке, восстановленной с матрицы информации.Maintaining the same intensity over the entire cross section of the beam of the radiation source perpendicular to the optical axis, in order to obtain the same intensity of interference fringes on the surface of the matrix, which registers the hologram. Recording a hologram with different intensities of interference fringes will lead to additional problems in processing reconstructed from the information matrix.

Интенсивность пучка когерентного источника излучения имеет Гауссово распределение (колокол), при котором центр яркий, а периферия слабее, поэтому в разных местах объема с исследуемыми объектами имеется разная светосила и поэтому эти объекты по-разному освещены, что и определяет различную амплитуду электрических сигналов, снятых с фотоприемников матрицы, а впоследствии характер и качество цифровой обработки изображения.The beam intensity of a coherent radiation source has a Gaussian distribution (bell), at which the center is bright and the periphery is weaker, therefore, in different places of the volume with the studied objects there is a different aperture and therefore these objects are illuminated differently, which determines the different amplitude of the electrical signals recorded with photodetectors of the matrix, and subsequently the nature and quality of digital image processing.

Преобразование Гауссового колоколообразного по сечению распределения интенсивности пучка в равномерное можно осуществить с помощью фильтра в виде амплитудно-фазовой маски, которая сглаживает распределение интенсивности, поднимая яркость на периферии, а также с помощью фильтра Гаусса, относящегося к числу сглаживающих фильтров.Conversion of a Gaussian bell-shaped beam intensity distribution over the cross section into a uniform one can be carried out using a filter in the form of an amplitude-phase mask, which smooths the intensity distribution by raising the brightness at the periphery, and also using a Gaussian filter, which is one of the smoothing filters.

Известны также фильтры типа "πShaper 12_12", конвертирующие Гауссовое распределение лазерного пучка в прямоугольное распределение в видимой, а также в УФ-й части спектра (в этом случае удобнее установить эти фильтры до расширяющей оптики).Also known are πShaper 12_12 filters, which convert the Gaussian distribution of the laser beam into a rectangular distribution in the visible as well as in the UV part of the spectrum (in this case, it is more convenient to install these filters to expanding optics).

Простейший прямоугольный сглаживающий фильтр Гаусса также усредняет интенсивность излучения по всему сечению пучка;The simplest rectangular Gaussian smoothing filter also averages the radiation intensity over the entire beam section;

б) увеличение апертуры D матрицы, изготовленной в виде полусферы, благодаря которой осуществляется регистрация высокочастотной части голограммы.b) an increase in the aperture D of the matrix, made in the form of a hemisphere, due to which the high-frequency part of the hologram is recorded.

Цель увеличения разрешения:The purpose of increasing the resolution:

- разрешение наиболее близких интерференционных линий, образующихся в плоскости матрицы при регистрации голограммы, а также- resolution of the closest interference lines formed in the plane of the matrix during registration of the hologram, and

- увеличение разрешения по всему исследуемому объему, благодаря созданию матрицы и кюветы полусферической формы для сохранения компактности ЦГМ.- an increase in resolution over the entire volume under investigation, thanks to the creation of a hemispherical matrix and a cuvette to preserve the compactness of the DTM.

Известно, что разрешающая способность голограммы пропорциональна ее размеру.It is known that the resolution of a hologram is proportional to its size.

Полусферическая матрица (см. Фиг.3) обладает б′ольшим размером (площадь/периметр) (2πR2/πR), чем плоская квадратная матрица (площадь/ширина) (4R2/2R) в π/2=1,57 раз, а это, в свою очередь, позволяет увеличить кювету с исследуемым объемом, при сохранении габаритов системы, делая ЦГМ более эффективным и удобным (особенно портативный вариант).The hemispherical matrix (see Figure 3) has a larger size (area / perimeter) (2πR 2 / πR) than the flat square matrix (area / width) (4R 2 / 2R) π / 2 = 1.57 times , and this, in turn, allows you to increase the cuvette with the test volume, while maintaining the dimensions of the system, making the DTM more efficient and convenient (especially the portable version).

Оценка величины разрешения ЦГМ со полусферической матрицей.Estimation of the resolution value of a HMC with a hemispherical matrix.

В связи с тем, что критерий Rayleygh определен эмпирическим путем для оптических устройств, с целью снятия зависимости от субъективности восприятия (две соседние точки разрешаются, если минимум интенсивности между ними достаточно мал, чтобы его разглядеть), то выражение разрешения согласно этому критерию (1) имеет различный вид. К примеру: коэффициент k может иметь разное значение в зависимости от размера и формы матрицы оптической системы, а именно, если форма круглая, то он равен 1,22, если квадратная - 1, если полусфера - 0,63, т.к. чем больше размер матрицы, тем выше разрешение при всех других равных условиях.Due to the fact that the Rayleygh criterion is determined empirically for optical devices, in order to remove the dependence on the subjectivity of perception (two adjacent points are allowed if the minimum intensity between them is small enough to make it out), then the expression of resolution according to this criterion (1) has a different look. For example: the coefficient k can have a different value depending on the size and shape of the matrix of the optical system, namely, if the shape is round, then it is 1.22, if square - 1, if hemisphere - 0.63, because the larger the size of the matrix, the higher the resolution, all other things being equal.

Поэтому можно определить разрешение для ЦГМ с полусферической матрицей по формуле (1).Therefore, it is possible to determine the resolution for a HMC with a hemispherical matrix by the formula (1).

Учитывая (см. Фиг.2), что k=0,63; λ=0,488 мкм (Ar лазер), f/D=0,312, то согласно выражению (1) R=kλf/D получаем следующее разрешениеGiven (see Figure 2) that k = 0.63; λ = 0.488 μm (Ar laser), f / D = 0.312, then according to expression (1) R = kλf / D, we obtain the following resolution

R=0,63×0,488×0,312=0,095 мкм.R = 0.63 × 0.488 × 0.312 = 0.095 μm.

Таким образом, получено разрешение ЦГМ с полусферической матрицей 95 nm без использования специальной математической обработки.Thus, the resolution of a HMC with a hemispherical matrix of 95 nm was obtained without the use of special mathematical processing.

Таким образом, в данной заявке предложены следующие конструктивные решения с использованием:Thus, in this application proposed the following design solutions using:

1) фильтра для сглаживания Гауссового распределения пучка источника излучения с целью увеличения светосилы периферийной картины интерференционных полос, регистрируемых на матрице;1) a filter to smooth the Gaussian distribution of the beam of the radiation source in order to increase the aperture ratio of the peripheral pattern of interference bands recorded on the matrix;

2) полусферической матрицы, позволяющей:2) a hemispherical matrix, allowing:

- зарегистрировать высокочастотные интерференционные полосы голограммы, определяющие высокое разрешение восстановленного изображения;- register high-frequency interference hologram bands that determine the high resolution of the reconstructed image;

- создать компактную систему ЦГМ;- create a compact system TsGM;

- увеличить объем с исследуемым объектом.- increase the volume with the investigated object.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Турухано Б.Г. Накопление информации на голограмме по глубине восстановленного изображения и загрузка пузырьковой камеры треками. ЖТФ, т.90, №1, с.181-187, т. 1970.1. Turukhano B.G. Accumulation of information on the hologram by the depth of the reconstructed image and loading of the bubble chamber with tracks. ZhTF, vol. 90, No. 1, p. 181-187, vol. 1970.

2. Консультативный центр МАТЛАБ компания SoftLine http://www.nose.ru/matlab/Mata_RU/default.asp.hum.2. MATLAB Advisory Center SoftLine company http://www.nose.ru/matlab/Mata_RU/default.asp.hum.

3. Программа для восстановления голографически записанных изображений и определения пространственного расположения точечных объектов "Digital Holography"». Патент РФ №2009614972 от 11.09.2009.3. The program for restoring holographically recorded images and determining the spatial location of point objects "Digital Holography" ”. RF patent №2009614972 from 09/11/2009.

4. Aloon Greenbaum, Aydogan Ozkan. Increased space-bandwidth product in pixel super-resolved lensfree on-chip microscopy. Scientific Reports, published 24 April, 2013.4. Aloon Greenbaum, Aydogan Ozkan. Increased space-bandwidth product in pixel super-resolved lensfree on-chip microscopy. Scientific Reports, published 24 April, 2013.

5. Tomoyoshi Shimobaba, Nobuyuki Masuda and Tomoyoshi Ito. Multi-view and multi-resolution real-time digital holographic microscopy. Microscopy: Science, Technology, Application and Education, pp.1419-1425, 2010.5. Tomoyoshi Shimobaba, Nobuyuki Masuda and Tomoyoshi Ito. Multi-view and multi-resolution real-time digital holographic microscopy. Microscopy: Science, Technology, Application and Education, pp. 1419-1425, 2010.

6. D. Gabor. A new microscopic principle. Nature 161, pp.777-778, 1948.6. D. Gabor. A new microscopic principle. Nature 161, pp. 777-778, 1948.

7. S.K. Jericho, P. Klages, J. Nadeau, E.M. Dumas, M.H. Jericho, H.J. Kreuzer. In-line digital holographic microscopy for terrestrial and exobiological research. Planetary and Space Science 58, pp.701-705, 2009.7. S.K. Jericho, P. Klages, J. Nadeau, E.M. Dumas, M.H. Jericho, H.J. Kreuzer. In-line digital holographic microscopy for terrestrial and exobiological research. Planetary and Space Science 58, pp. 701-705, 2009.

8. Ulf Schnars and W PO Juptner. Digital recording and numerical reconstruction of holograms. Meas. Sci. Technol., 13, R85-R101, 2002.8. Ulf Schnars and W PO Juptner. Digital recording and numerical reconstruction of holograms. Meas. Sci. Technol., 13, R85-R101, 2002.

Claims (1)

Цифровой голографический микроскоп, содержащий источник излучения, обладающий оптической осью, направленной в сторону распространения пучка излучения, фокусирующий объектив, диафрагму и кювету для размещения исследуемого объекта, расположенные вдоль оптической оси, причем кювета имеет прозрачные входное и выходное окна, а входное окно плоское, матрицу фотоприемников, электронно-вычислительную систему, включающую блок обработки, программное обеспечение и ПК, отличающийся тем, что дополнительно до кюветы введен фильтр для сглаживания Гауссового распределения пучка излучения и получения равномерного освещения по сечению пучка, выходное окно кюветы имеет форму полусферы с радиусом, равным расстоянию от входного до выходного окна кюветы, и матрица фотоприемников имеет форму полусферы, расположена параллельно выходному окну кюветы, повторяет ее форму и жестко с ним связана. A digital holographic microscope containing a radiation source having an optical axis directed towards the propagation of the radiation beam, a focusing lens, an aperture, and a cuvette for placing the object under study, located along the optical axis, the cuvette having transparent input and output windows, and the input window is flat, the matrix photodetectors, an electronic computer system including a processing unit, software and a PC, characterized in that in addition to the cuvette a smoothing filter is introduced Gaussian distribution of the radiation beam and obtaining uniform illumination over the beam cross section, the output window of the cell has a hemisphere shape with a radius equal to the distance from the input to the output window of the cell, and the photodetector array has the shape of a hemisphere, is parallel to the output window of the cell, repeats its shape and is rigid with it connected.
RU2013147135/28A 2013-10-22 2013-10-22 Digital holographic method RU2545494C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147135/28A RU2545494C1 (en) 2013-10-22 2013-10-22 Digital holographic method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147135/28A RU2545494C1 (en) 2013-10-22 2013-10-22 Digital holographic method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2545494C1 true RU2545494C1 (en) 2015-04-10
RU2013147135A RU2013147135A (en) 2015-04-27

Family

ID=53283063

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013147135/28A RU2545494C1 (en) 2013-10-22 2013-10-22 Digital holographic method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2545494C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU177416U1 (en) * 2016-08-15 2018-02-21 Юлия Владимировна Григорьева DEVICE FOR MEASURING LIGHT FLOW THROUGH SURFACE OF A SLIDES OR CEVETS

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1314295A1 (en) * 1986-01-15 1987-05-30 Предприятие П/Я Г-4671 Holographic microscope

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1314295A1 (en) * 1986-01-15 1987-05-30 Предприятие П/Я Г-4671 Holographic microscope

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S.K. Jericho, P. Klages, J. Nadeau, E.M. Dumas, M.H. Jericho, and H. J. Kreuzer, In-line digital holographic microscopy for terrestrial and exobiological research, Planetary and Space Science 58, 2009, 701-705, найдено в Интернет: http://4-deep.com/publications/. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU177416U1 (en) * 2016-08-15 2018-02-21 Юлия Владимировна Григорьева DEVICE FOR MEASURING LIGHT FLOW THROUGH SURFACE OF A SLIDES OR CEVETS

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013147135A (en) 2015-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105607452B (en) Measure the Double-number holographic imaging apparatus of suspended particulate settling velocity
US8830476B2 (en) Methods and apparatuses for contact-free holographic imaging of aerosol particles
Romanov et al. Single‐particle characterization by elastic light scattering
TW201910940A (en) Method and device for illuminating digital full image by structured light
CN102226718A (en) Acousto-optic polarization spectroscopy camera
CN105511066A (en) Microscopic polarization imaging device based on microwave sheet array and implement method thereof
CN105157836A (en) Spectral imaging device and method for synchronously acquiring polarization states
Dainty long baseline might be used to achieve a resolution of 10-3 arc second.
Coëtmellec et al. Digital in-line holography assessment for general phase and opaque particle
CN109283821B (en) Phase-shift digital holographic single-exposure imaging device and method based on vortex lens
Arcab et al. Single-shot experimental-numerical twin-image removal in lensless digital holographic microscopy
Harvey et al. Visualization of acoustic waves in air and subsequent audio recovery with a high-speed schlieren imaging system: experimental and computational development of a schlieren microphone
Zhang et al. Photon-starved snapshot holography
Yang et al. Detection of microplastic samples based on spatial heterodyne microscopic differential Raman spectroscopy
RU2545494C1 (en) Digital holographic method
Wang et al. Laguerre–Gaussian-domain rotational image restoration beyond the camera response
Popescu et al. Point spread function estimation for a terahertz imaging system
Wu et al. Investigation of an Improved Angular Spectrum Method Based on Holography
US20240310283A1 (en) Super-resolution lens-free microscopy
RU183438U1 (en) Device for measuring the distribution of the concentration and size of nanoparticles in liquids
CN113758952A (en) X-ray diffraction imaging device and method based on momentum coding
Dyomin et al. Evaluation of the plankton species coordinates from digital holographic video
RU150312U1 (en) DIGITAL HOLOGRAPHIC MICROSCOPE
Lee et al. Object detection through obscurants using partially coherent fields generated by perfect optical vortex beams
Dovhaliuk Review of digital holography reconstruction methods