Определение оптических толщин слоистых объектов по интерференционным цветам изображений в микроскопии белого света
Дьяченко А.А., Рябухо В.П.

 

Институт проблем точной механики и управления РАН, Саратов, Россия,
Саратовский государственный университет, Саратов, Россия

Аннотация:
Рассмотрены закономерности формирования цветных интерференционных картин однослойных тонких фазовых объектов в оптической микроскопии при использовании полихроматического излучения. Получены выражения для распределения интенсивности интерференционного поля изображения с учетом спектральных свойств излучения. Разработан алгоритм компьютерного расчета и формирования цветных интерференционных изображений в белом свете в зависимости от оптической толщины слоистого объекта в рамках цветовой модели RGB. Представлены результаты моделирования изображений, показаны изменения в цвете и структуре интерференционной картины при варьировании параметров оптической системы микроскопа, формы, размеров и оптических свойств объекта. Показана возможность определения оптической толщины слоя объекта путем численного сравнения интерференционных цветов, получаемых в численном и натурном экспериментах.

Ключевые слова:
оптическая микроскопия, интерференционные изображения, когерентность, интерференционный цвет, цифровая обработка изображений, тонкие пленки.

Цитирование:
Дьяченко, А.А. Определение оптических толщин слоистых объектов по интерференционным цветам изображений в микроскопии белого света / А.А. Дьяченко, В.П. Ря­бу­хо // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 5. – С. 670-679. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-670-679.

Литература:

  1. Розенберг, Г.В. Интерференционная микроскопия / Г.В. Розенберг // Успехи физических наук. – 1953. – Вып. 50, № 6. – С. 271-302. – DOI: 10.3367/UFNr.0050.195306d.0271.
  2. Марешаль, А. Структура оптического изображения. Дифракционная теория и влияние когерентности света / А. Марешаль, М. Франсон. – пер. с франц. – М.: Мир, 1964. – 295 с.
  3. Hariharan, P. Optical interferometry / P. Hariharan. – 2nd ed. – Amsterdam, Boston: Academic Press, 2003. – 351 p. – ISBN: 978-0-12-311630-7.
  4. Вишняков, Г.Н. Интерференционная микроскопия суб­нанометрового разрешения по глубине. Экспериментальные исследования / Г.Н. Вишняков, Г.Г. Левин, В.Л. Минаев, И.Ю. Цельмина // Оптика и спектроскопия. – 2014. – Т. 116, № 1. – С. 170-176.
  5. Игнатьев, П.С. Лазерная модуляционная интерференционная микроскопия как средство контроля формы и шероховатости оптических поверхностей / П.С. Игнатьев, Л.С. Кольнер, К.В. Индукаев, В.И. Телешевский // Измерительная техника. – 2015. – № 7. – С. 32-35.
  6. De Groot, P. Principles of interference microscopy for the measurement of surface topography / P. de Groot // Advanced in Optics and Photonics – 2015 – Vol. 7, Issue 1 – P. 1-65. – DOI: 10.1364/AOP.7.000001.
  7. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф // М.: Наука, 1973. – 720 с.
  8. Каленков, Г.С. Гиперспектральная голографическая фурье-микроскопия / Г.С. Каленков, С.Г. Каленков, А.Е. Штанько // Квантовая электроника. – 2015. – Т. 45, № 4. – С. 333-338.
  9. Лычагов, В.В. Низкокогерентная интерферометрия слоистых структур в полихроматическом свете с цифровой записью и обработкой интерферограмм / В.В. Лы­чагов, В.П. Рябухо, А.Л. Кальянов, И.В. Смир­нов // Компьютерная оптика. – 2010. – Т. 34, № 4. – С. 511-524.
  10. Yu, X. Review of digital holographic microscopy for three-dimensional profiling and tracking / X. Yu, J. Hong, C. Liu, M.K. Kim // Optical engineering. – 2014. – Vol. 53(11), – 112306. – DOI: 10.1117/1.OE.53.11.112306.
  11. Optical inspection of microsystems / ed. by W. Osten. – Boca Raton, London, New York: Taylor & Francis Group, 2007. – 503 p. – ISBN: 978-0-8493-3682-9.
  12. Abdulhalim, I. Multiple interference and spatial frequencies’ effect on the application of frequency-domain optical coherence tomography to thin films’ metrology / I. Abdulhalim, R. Dadon // Measurement Science and Technology. – 2009 – Vol. 20, Issue 1. – 015108. – DOI: 10.1088/0957-0233/20/1/015108.
  13. Handbook of full-field optical coherence microscopy. Technology and applications / ed. by A. Dubois. – Singapore: Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., 2016. – 790 p. – ISBN: 978-9-8146-6916-0.
  14. Bhaduri, B. Diffraction phase microscopy with white light / B. Bhaduri, H. Pham, M. Mir, G. Popescu // Optics Letters. – 2012. – Vol. 37, Issue 6. – P. 1094-1096. – DOI: 10.1364/OL.37.001094.
  15. Handbook of biological confocal microscopy / ed. by J.E. Pawley. – 3rd ed. – Berlin: Springer, 2006. – 985 p. – ISBN: 978-0-387-25921-5.
  16. Kim, S-W.Thickness-profile measurement of transparent thin-film layers by white-light scanning interferometry / S.-W. Kim, G.-H. Kim // Applied Optics. – 1999. – Vol. 38, Issue 28. – P. 5968-5973. – DOI: 10.1364/AO.38.005968.
  17. Parthasarathy, S. A color vision system for film thickness determination / S. Parthasarathy, D. Wolf, E. Hu, S. Hack­wood, G. Beni // Proceedings of 1987 IEEE Conference on Robotics and Automation. – 1987. – P. 515-519.
  18. Muller, R.H. Optimum angle of incidence for observing thin-film interference colors / R.H. Muller, M.L. Sand // Applied Optics. – 1987. – Vol. 26, Issue 24. – P. 5211-5220. – DOI: 10.1364/AO.26.005211.
  19. Birnie, D. Optical video interpretation of interference colors from thin transparent films on silicon / D. Birnie // Materials Letters. – 2004. – Vol. 58, Issue 22-23. – P. 2795-2800.
  20. Kitagawa, K. Thin-film thickness profile measurement by three-wavelength interference color analysis / K. Kitagawa // Applied Optics. – 2013. – Vol. 52, Issue 10. – P. 1998-2007. – DOI: 10.1364/AO.52.001998.
  21. Hartl, M. Computer-aided evaluation of chromatic interferograms / M. Hartl, I. Krupka, R. Polišcuk, M. Liška // Journal of WSCG. – 1997. – Vol. 5, No. 1-3. – P. 163-172.
  22. Hyvarinen, T.S. Direct sight imaging spectrograph: a unique add-on component brings spectral imaging to industrial applications / T.S. Hyvarinen, E. Herrala, A. Dall’Ava // Proceedings of SPIE. – 1998. – Vol. 3302. – P. 165-175. – DOI: 10.1117/12.304581.
  23. Jin, G. Imaging ellipsometry revisited: developments for visualization of thin transparent layers on silicon substrates / G. Jin, R. Jansson, H. Arwin // Review of Scientific Instruments. – 1996. – Vol. 67. – P. 2930-2936. – DOI: 10.1063/1.1147074.
  24. Александров, А.Я. Поляризационно-оптические методы механики деформированного тела / А.Я. Александров, М.Х. Ахметзянов. – М.: Наука, 1973. – 576 с.
  25. Ryabukho, V.P. Wiener-Khintchin theorem for spatial coherence of optical wave field / V.P. Ryabukho, D.V. Lyakin, A.A. Grebenyuk, S.S. Klykov // Journal of Optics. – 2013. – Vol. 15, Issue 2. – 025405 (11 p.). – DOI: 10.1088/2040-8978/15/2/025405.
  26. Лякин, Д.В. Продольные корреляционные свойства оптического поля с широкими угловым и частотным спектрами и их проявление в интерференционной микроскопии / Д.В. Лякин, В.П. Рябухо // Квантовая электроника. – 2013. – Т. 43, № 10. – С. 949-957.
  27. Лякин, Д.В. Взаимная пространственно-временная ко­герентность оптических полей в интерферометре с амплитудным делением / Д.В. Лякин, П.В. Рябухо, В.П. Рябухо // Оптика и спектроскопия. – 2017. – Т. 122, № 2. – С. 336-345. – DOI: 10.7868/S0030403417020179.
  28. Бирюков, Е. Эволюция датчиков изображения: от ПЗС к КМОП / Е. Бирюков // Компоненты и технологии. – 2007. – № 10. – С. 24-27.
  29. Гонсалес, Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гон­салес, Р. Вудс. – М.: Техносфера, 2005. – 1072 с. – ISBN: 5-94836-028-8.
  30. Дьяченко, А.А. Метод интерференции белого света в тонких плёнках для анализа морфологии эритроцитов / А.А. Дьяченко, А.А. Пайзиев, В.П. Рябухо, Л.И. Малинова // Известия вузов. Физика. – 2015. – Т. 58, № 11/3. – С. 116-119.
  31. Дьяченко, А.А. Проявление пространственных и временных спектральных свойств оптической системы в полихроматической интерференционной микроскопии / А.А. Дьяченко, В.П. Рябухо // VI Межд. конференция по фотонике и информационной оптике: сборник научных трудов. – М.: НИЯУ МИФИ. – 2017. – 278-279 с.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20