Цифровий голографічний інтерференційний мікроскоп: фізичні методи та алгоритми обробки інформації

Анотація

Актуальність. Інтерферометричні методи тривимірної візуалізації мікрооб’єктів є значною мірою неінвазивними та безконтактними. Вони можуть застосовуватися для отримання інформації в реальному масштабі часу при дослідженні живих об'єктів та таких, які швидко змінюються. Інтерферометричні методи у поєднанні з методами голографічної мікроскопії здатні скласти гідну конкуренцію таким передовим неоптичним методам, як електронна та атомно-силова мікроскопія. Тому теоретичний та науково-практичний розвиток методів цифрової голографічної інтерференційної мікроскопії є важливою та актуальною задачею.

Мета роботи – вибір оптимального методу тривимірної візуалізації фазових мікрооб'єктів та створення на його основі лабораторного макету цифрового голографічного інтерференційного мікроскопу (ЦГІМ), а також проведення експериментів для вивчення на практиці технічних можливостей розробленого пристрою.

Матеріали та методи. Для створення ЦГІМ використано метод інтерференції у смугах кінцевої ширини, а також методи та принципи оптичної голографії.

Результати. Теоретично обгрунтовано вибір методу інтерференції у смугах кінцевої ширини для тривимірної візуалізації фазових мікрооб'єктів. Представлено схему оптичної частини ЦГІМ. Наведено опис алгоритму обробки отриманої за його допомогою інформації для відновлення тривимірного зображення фазових мікрооб'єктів. Проведено теоретичний розрахунок роздільної здатності ЦГІМ. На прикладі дослідження тонких прозорих плівок показано ефективність використання ЦГІМ у дослідженні тривимірної морфології та вимірюванні товщини фазових мікрооб'єктів з точністю до 10 нм.

Висновки. Представлено теоретичне обгрунтування та експериментальне підтвердження  ефективності використання ЦГІМ у відновленні тривимірних зображень фазових мікрооб'єктів, вимірюванні їх фазових профілів, оптичної товщини та геометричних параметрів з високим ступенем точності в реальному масштабі часу. При цьому рель'єф поверхні мікрооб'єкту у напрямку оптичної осі ЦГІМ відновлюється з надвисоким розрізненням, що дозволяє візуалізувати деталі, розмір яких набагато менше довжини хвилі лазерного випромінювання, що використовується в цьому приладі. Такі характеристики дозволять широко використовувати ЦГІМ у різних галузях науки та техніки.