Імерсійний спосіб визначення складових двокомпонентних та багатокомпонентних прозорих мікрооб’єктів методом фазомодульованої спекл-інтерферометрії

Реферат: Cпосіб визначення складових мікрооб'єктів, що пропонується, є метод їх сортування за показником заломлення, для реалізації якого мікрооб'єкти поміщають у імерсійне середовище з показником заломлення середнім між показниками заломлення складових мікрооб'єктів. При проходженні такої структури фаза світлового пучка у місцях розташування компоненти з більшим показником заломлення зростає, а меншим - падає, незалежно від форми та розмірів мікрооб'єктів. Зміни фази фіксуються за допомогою методу фазомодульованої спеклінтерферометрії. Сортування складових проводиться за знаком зміни фази світлового пучка при їх проходженні. UA 105298 C2 (12) UA 105298 C2 UA 105298 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до вимірювальної техніки, голографічної та спекл-інтерферометрії та може використовуватись у хімічній промисловості, біології, медицині та ін. Відомий імерсійний спосіб отримання топограм дифузнорозсіюючих поверхонь (патент України № 93335 від 2011 р. "Імерсійний спосіб отримання топограм поверхонь об'єктів"), при якому об'єкт поміщають у імерсійне середовище, освітлюють когерентним оптичним випромінюванням лазера, здійснюють просторове суміщення об'єктної та опорної спекл-хвиль для формування сумарної хвилі, здійснюють просторову фільтрацію сумарної хвилі до зникнення регулярних інтерференційних смуг усередині усіх спеклів, за допомогою реєструючого пристрою (телекамери або фотоапарата) реєструють інтенсивності сумарної хвилі при дискретному змінюванні фази опорної хвилі від 0 до 2π (набори спеклограм) для двох різних імерсійних середовищ з показниками заломлення n1 та n2, по отриманих наборах спеклограм визначають зсув фаз об'єктної хвилі та будують лінії рівного фазового зсуву, що є топограмою об'єкта. Недоліком цього способу є неможливість дослідження прозорих об'єктів. Найближчим до пропонованого є "Спосіб фазомодульованої спекл-інтерферометрії для вимірювання зміни фази об'єктної хвилі" (патент України № 80706 від 25 жовтня 2007 р. "Спосіб фазомодульованої спекл-інтерферометрії для вимірювання зміни фази об'єктної хвилі"). Даний спосіб вибрано прототипом. Спосіб здійснюють таким чином. Випромінювання від лазера крізь колімуючу систему спрямовують на об'єкт та дифузнорозсіюючу поверхню. Відбита від дифузнорозсіюючої поверхні опорна хвиля просторово суміщається з об'єктною спекл-хвилею, що сформована об'єктом, за допомогою напівпрозорого дзеркала. Діафрагма фільтрує сумарну хвилю, при цьому розмір діафрагми підбирається таким, щоб зникли регулярні інтерференційні смуги усередині усіх спеклів сумарної хвилі. Просторовий розподіл інтенсивностей у спеклограмі реєструють за допомогою реєструючого пристрою (телекамери або фотоапарата). Для початкового стану об'єкта реєструють декілька спеклограм при різних значеннях фази опорної хвилі, яка змінюються від 0 до 2π за допомогою фазозсувного пристрою, наприклад п'єзокераміки. Порівнюючи між собою отримані спеклограми, визначають фазу кожного спекла об'єктної хвилі відносно опорної хвилі. Цю операцію повторюють для зміненого стану об'єкта. Порівнюючи між собою фази кожного із спеклів для початкового та зміненого стану об'єкта, визначають змінювання фази об'єктної хвилі. Недоліком відомого способу є те, що він не дає змогу провести визначення складових у двокомпонентних та багатокомпонентних прозорих мікрооб'єктах. Задача, на вирішення якої спрямовано винахід, що пропонується, є дати спосіб безконтактного неруйнівного визначення складових двокомпонентних та багатокомпонентних мікрооб'єктів з одержанням технічного ефекту: визначення геометричних границь окремих компонент у гетерофазних мікрооб'єктах та сортування об'єктів по компонентам у сумішах гомофазних мікрооб'єктів при умові, що об'єкти прозорі, а їх компоненти відрізняються за показником заломлення. Розмір мікрооб'єктів може бути від субмікронного до декількох десятків мікрон, а походження технічне, біологічне та ін. Дана задача вирішується імерсійним способом визначення складових двокомпонентних та багатокомпонентних прозорих мікрооб'єктів методом фазомодульованої cпекл-інтерферометрії, що включає розташування мікрооб'єктів у імерсійному середовищі, освітлювання об'єкта когерентним оптичним випромінюванням лазера, здійснення просторового суміщення об'єктної спекл-хвилі та опорної хвилі для формування сумарної хвилі, здійснення просторової фільтрації сумарної хвилі, реєстрування за допомогою реєструючого пристрою (телекамери або фотоапарату) двох наборів інтенсивностей сумарної хвилі (спеклограм), при відсутності мікрооб'єктів у об'єктному пучку та їх наявності, визначають зміни фази об'єктної хвилі, який відрізняється тим, що імерсійне середовище має показник заломлення середній між показниками заломлення компонентів мікрооб'єктів, тому фаза у місцях розташування складових з більшим показником заломлення зростає, а меншим - падає, що дозволяє провести сортування. Прототип співпадає з винаходом, що заявляється, в наявності спільних операцій: - освітлювання об'єкта когерентним випромінюванням лазера; - здійснення просторового суміщення двокогерентних світлових хвиль; - просторова фільтрація сумарної хвилі за допомогою діафрагми; - реєстрація за допомогою реєструючого пристрою (телекамери або фотоапарата) інтенсивності сумарної світлової хвилі у площині суміщення. 1 UA 105298 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відміною способу, що пропонується, від прототипу є те, що у ньому мікрооб'єкти поміщають у імерсійне середовище, що має показник заломлення середній між показниками заломлення складових двокомпонентних та багатокомпонентних прозорих мікрооб'єктів. При цій умові фаза об'єктної хвилі у місцях розташування складової з більшим показником заломлення зростає, а меншим - падає, що дозволяє провести сортування. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що замовляються, та технічним результатом, що досягається, є таким. При поміщенні у об'єктний світловий канал мікрооб'єкта фаза об'єктного пучка буде змінюватись, і ці зміни пропорційні товщині мікрооб'єктів та різниці між показниками заломлення об'єкта та навколишнього середовища. Коли показники заломлення різних складових у багатокомпонентних сумішах або гетерофазних мікрооб'єктах більше показника заломлення навколишнього середовища (виконується для повітря) або менше (виконується для деяких імерсій), то розділити складові проблематично, оскільки складно визначити товщину мікрооб'єктів довільної форми. Якщо імерсійне середовище має показник заломлення середній між показниками заломлення двох компонент, то фаза об'єктної хвилі буде зростати при показнику заломлення мікрооб'єкта, вищому за показник заломлення імерсійного середовища, та падати при меншому, незалежно від форми та розміру мікрооб'єкта. Це дозволяє однозначно визначити геометричні границі окремих компонент у гетерофазних мікрооб'єктах та сортувати об'єкти по компонентах у сумішах гомофазних мікрооб'єктів. На Фіг. 1 представлено принципову схему установки для реалізації способу, що пропонується. Установка має такі вузли: 1 - лазер з довжиною хвилі λ, 2 - напівпрозоре дзеркало, 2 - об'єктив для формування пучка, 3 - об'єктиви для розширення пучків, 4 дифузори, що формують спекловий характер опорної та об'єктної хвиль, 5 - напівпрозоре дзеркало, що здійснює просторове суміщення об'єктної спекл-хвилі та опорної хвилі, 6 діафрагма, що фільтрує сумарну хвилю, 7 - реєструючий пристрій (телекамера або фотоапарат)з мікрооб'єктивом для реєстрації спеклограм, 8 - дзеркало, 9 - об'єкт, що є рухомою кюветою з імерсійним середовищем, у одній частині якої поміщають мікрооб'єкти, що досліджуються. Промінь від лазера 1 поділяється напівпрозорим дзеркалом 2 на опорний та об'єктний пучки, що поширюється лінзами 3 та проходять скрізь дифузори 4, що формують їх спекловий характер, та просторово суміщаються за допомогою напівпрозорого дзеркала 5. Сумарна хвиля фільтрується діафрагмою 6, розмір якої підбирається таким, щоб зникли регулярні інтерференційні смуги усередині усіх спеклів сумарної хвилі. Просторовий розподіл інтенсивностей у сумарній хвилі (спеклограму) реєструють за допомогою реєструючого пристрою (телекамери або фотоапарата)7. Фазомодуляційний пристрій 11 слугує для дискретного контрольованого зсуву фази опорної хвилі та дозволяє фіксувати набори спеклограм з фазовими зсувами, що потрібні для визначення фази об'єктної хвилі (оптимально 0, π/2, π та 3/2π). Об'єктний пучок спрямовується за допомогою дзеркала 8 на об'єкт 9, що є рухомою кюветою з імерсійним середовищем, у одну частину якої поміщають мікрооб'єкти, що досліджуються. Фіксують два набори спеклограм, один коли у об'єктний пучок поміщена частина кювети з чистим імерсійним середовищем, другий - коли у об'єктний пучок поміщена частина кювети з мікрооб'єктами, диспергованими у імерсії. За допомогою кореляційного аналізу спеклограм у двох наборах визначають зміни фази об'єктної хвилі, що викликані появою мікрооб'єктів (фазограми). У містах, де мікрооб'єкти відсутні, фаза не змінюється, умісцях розташування мікрооб'єктів з показником заломлення, більшим ніж у Імерсії, фаза зростає, а меншим - падає, що дозволяє провести сортування. При потребі провести докладне вивчення багатокомпонентних систем дане дослідження повторюють декілька разів, використовуючи імерсійні середовища з різними показниками заломлення. Порівняння їх результатів дозволяє однозначно сортувати окремі складові. Приклади конкретного виконання способу. Приклад 1. Дослідження гетерофазних мікрооб'єктів системи вуглець-залізо. На Фіг. 2 А представлено мікрофотографію (20×30 мкм) частинок системи вуглець - залізо, диспергованих у вазеліновому маслі, на Фіг. 2 В - її фазограму. На фазограмі місця, де фаза об'єктної хвилі не змінюється (чисте вазелінове масло) позначені сірим кольором, місця, де фаза зменшується - чорним (залізо, що має показник заломлення менший від імерсійного середовища), місця, де фаза збільшується - білим (вуглець, що має показник заломлення більший від імерсійного середовища). Видно, що більшість частинок, що наявні у кадрі, є гетерофазними. Приклад 2. Дослідження формених елементів крові людини. 2 UA 105298 C2 5 10 На Фіг. 3А представлено мікрофотографію (20×30 мкм) моноциту, що знаходиться у ізотонічному фізіологічному розчині, на Фіг. 3В його фазограму. На фазограмі місця, де фаза об'єктної хвилі не змінюється (чистий фізіологічний розчин) позначені сірим кольором, місця, де фаза збільшується - білим (моноцит, що має показник заломлення більший від імерсійного середовища). В оточенні моноцита є цитоплазматичні викиди, що мають менший за фізіологічний розчин показник заломлення, вони позначені чорним (фаза зменшується). Як видно з наведених прикладів, даний спосіб дозволяє визначити складові двокомпонентних та багатокомпонентних прозорих мікрооб'єктів швидко, безконтактно та неруйнівно, що є дуже важливим і показовим для хімічних, біологічних та медичних досліджень, і дозволяє досліджувати зміни стану живих мікрооб'єктів у динаміці. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 Імерсійний спосіб визначення складових двокомпонентних та багатокомпонентних прозорих мікрооб′єктів методом фазомодульованої cпекл-інтерферометрії, що включає освітлювання об′єкта когерентним оптичним випромінюванням лазера для формування світлової об′єктної хвилі зі спекловим характером, здійснення просторового суміщення світлової об′єктної хвилі та світлової опорної хвилі для формування сумарної світлової хвилі, здійснення просторової фільтрації сумарної хвилі, реєстрування за допомогою реєструючого пристрою (телекамери або фотоапарата) інтенсивності сумарної хвилі - спеклограми, реєстрування двох наборів спеклограм з фазовою модуляцією опорної хвилі, при відсутності мікрооб′єктів у імерсійному середовищі у об′єктному світловому каналі та їх наявності, визначення зміни фази світлової об′єктної хвилі, що виникають внаслідок присутності мікрооб'єктів, який відрізняється тим, що мікрооб′єкти поміщають у імерсійне середовище, що має показник заломлення середній між показниками заломлення компонент мікрооб'єктів, коли фаза світлової об′єктної хвилі у місцях розташування компонент з більшим показником заломлення зростає, порівняно з місцями, де відсутні мікрооб'єкти, а з меншим показником заломлення падає, незалежно від форми та розмірів компонент - проводять сортування компонент. 3 UA 105298 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4