Разработка технологии микроскопии и профилометрии высокого разрешения на основе методов цифровой сингулярной оптики (промежуточный)

В данном исследовании представлены аналитические результаты, моделирование и эксперимент, определена чувствительность сингулярных пучков к внешним возмущениям и разрешающая способность продольного (осевого) определения разности хода. Показана зависимость динамики фазы сингулярных пучков и профиля интенсивности их суперпозиции, возникающая при изменении толщины оптически прозрачных объектов или рельефа отражающих поверхностей. Основной задачей регистрации распределения интенсивности поля суперпозиции пучков является анализ динамики положения максимумов при изменении разности фаз интерферирующих пучков. Когда оптические пути двух лучей в плечах интерферометра приблизительно одинаковы, интерферирующие пучки имеют одинаковый радиус перетяжки и равную кривизну волнового фронта. Только в этом случае становится возможным получение симметричного распределения интенсивности. Чтобы оценить чувствительность метода интерференции двух вихревых пучков, мы ограничимся рассмотрением только однородных изотропных сред, таких как, например, стеклянную призму с углом при вершине, равным 178 градусов. В случае, объектный пучок линейно перемещается по поверхности объекта с переменной толщиной, мы можем выбрать произвольное положение и установить его в качестве начальной точки, таким образом, все последующие измерения будут записаны относительно значения сдвига фазы реперной точки, наблюдаемые посредством углового поворота картины интенсивности. Данная последовательность действий становится основой для микроскопического устройства с высоким разрешением, где процесс поворота интерференционных максимумов может быть легко зафиксирован экспериментально и автоматически обработан в реальном времени Оценка разрешающей способности предложенного подхода позволила определить значение минимальных изменений толщин в пределах 1,1 нанометра, в то время как для отражающих поверхностей данный показатель составляет 1,6786 нанометра для излучения гелий-неонового лазера. С целью оптимизации параметров сканирования предполагается использование фокусирующей оптики, скорректированной на бесконечность (микрообъективы) с различным фокусным расстоянием. Такое решение позволяет расширить диапазон исследуемых объектов от макро- до микромасштаба, пропорционально перетяжке пучка и фокусному расстоянию конфокальной системы линз сканирующей части. Данный подход дополнительно обеспечивает режимы чернового и точного сканирования. Например, без использования фокусировки микрообъективом, поле вихревого пучка покрывает бóльшую площадь исследуемой поверхности, оказывая усредняющее действие, иными словами, локальные перепады высот с поперечным размером меньше 0,6 диаметра пучка не будут учтены в процессе построения профилограммы или карты высоты. Предложенная технология использована в микроскопии и профилометрии оптически прозрачных и отражающих сред, где этот метод выигрывает своими преимуществами, заключающимися в гибкости состава оптических элементов и расстояний между ними в экспериментальной установке. Такой подход позволяет масштабировать полученные сведения для успешного применения их в измерениях ступенчатых структур в виде тонких пленок, покрытий и шероховатости подложек в бесконтактном режиме работы, что является востребованным в области кристаллооптики. Таким образом, предлагаемый метод интерферометрии на основе сингулярных пучков имеет потенциал применения в режиме неинвазивного взаимодействия с биообъектами, в сочетании с цифровой голографической микроскопией, позволяет исследовать эволюционные процессы исследуемых объектов. Считывание и цифровая обработка изображений осуществятся с компьютерной техники и разработанного в рамках проекта программного обеспечения позволяют применить множество алгоритмов обработки изображений и анализа. Разработанный программный код содержит математический аппарат обработки двумерных массивов изображения и вычисления переменных, ответственных за определение физических параметров исследуемого образца.