2
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ГДС - голографические дифракционные структуры
ГОЭ - голографические (или голограммные) оптические элементы
ДЭ - дифракционный элемент
ГЗУ - голографические запоминающие устройства
ТМГ - точечно-матричная голография
ЭЛЛ - электронно-лучевая литография
ОГ - оптическая голография
ФИМ - флуоресцентно-интерференционный микроскоп ФЭУ - фотоэлектронный умножитель
і
3
Содержание
Введение................................................................7
Глава 1 Исследование интегральных параметров оптического
излучения взаимодействовавшего с голографическими дифракционными
микроструктурами.......................................................28
1.1 Метод Кирхгоффа с учетом фазы волнового фронта
светового излучения..............................................28
1.1.1 Регистрация параметров лазерного луча.................28
1.1.2 Моделирование распространения лазерного пучка по методу Кирхгофа.............................................37
1.1.2.1 Выбор шага дискретизации при численном описании лазерных полей методом Кирхгофа.......................37
1.1.2.2 Результаты моделирование распространения лазерного пучка методом Кирхгоффа.....................42
1.2 Метод оптической томографии..................................47
1.2.1 Регистрация мощности излучения........................47
1.2.2 Получение томографических проекций....................50
1.2.3 Реконструкция распределения интенсивности.............52
Глава 2 Методы и установки для исследования интегральных параметров голографических дифракционных структур.................................58
2.1 Интегральные параметры голографических дифракционных структур и их связь с параметрами микроструктуры............58
2.2 Автоматизированная установка и программное обеспечение для исследования параметров оптических голшрафических дифракционных структур......................................66
2.2.1 Установка для регистрации параметров оптических голографических дифракционных структур......................66
4
2.2.2 Программное обеспечение для расчета параметров схемы записи оптических голографических дифракционных структур....................................................70
2.2.3 Результаты исследований голограмм.....................74
2.2.4 Программное обеспечение подготовки данных для формирования оптических голографических дифракционных микроструктур...............................................77
2.3 Автоматизированная установка и программное обеспечение для исследования интегральных параметров голографических дифракционных структур............................................80
2.3.1 Установка для регистрации интегральных параметров голографических дифракционных структур......................80
2.3.2 Программное обеспечение для автоматизации регистрации и оценки интегральных параметров ГДС..........................80
Глава 3 Методы и установки для исследования локальных параметров голографических дифракционных структур.................................85
3.1 Классификация голографических дифракционных микроструктур по методу формирования мастер-голограмм.....................86
3.2 Установка и программное обеспечение для определения типа голографических дифракционных структур......................92
3.2.1 Установка для определения типа голографических дифракционных элементов....................................92
3.2.1.1 Описание микроскопа...........................92
3.2.1.2 Метод повышения контраста изображения
путем регистрации дифрагировавшего излучения..........96
3.2.2 Программное обеспечение для определения типа голографических дифракционных структур.....................98
3.3 Установка и программное обеспечение для исследования локальных параметров голографических дифракционных структур..........101
5
3.3.1 Установка для исследования локальных параметров голографических дифракционных структур...................101
3.3.2 Программное обеспечение для расчета локальных параметров голографических дифракционных структур........104
3.4. Исследование локальных параметров голографических дифракционных структур..........................................105
3.4.1 Голо1рафические дифракционные структуры, изготовленные методом точечно-матричной голографии.......105
3.4.2 Исследование локальных параметров голографических дифракционных структур, синтезированных с помощью ЭЛЛ-установок............................................108
Глава 4 Исследование локальных и интегральных параметров трехмерных
дифракционных структур биологического происхождения..................114
4.1 Устройство и принцип действия автоматизированного флуоресцентно - интерференционного микроскопа.............115
4.2 Методы для анализа транспорта флуорофора в живой клетке 120
4.2.1 Корреляционный анализ..............................120
4.2.2 Метод поиска максимумов............................123
4.2.3 Программный комплекс «Корреляция»..................124
4.2.4.Экспериментальное исследование локализации флуорофора в живой клетке................................127
4.3 Метод и программное обеспечение для определения концентрации флуорофоров в клетке.........................136
4.3.1 Метод для определения концентрации флуорофоров в клетке.....................................136
4.3.2 Программное обеспечение для определения концентрации флуорофоров в клетке.....................................139
4.3.3 Экспериментальное определение количества вещества флуорофора...............................................] 40
г
6
4.4 Метод спектротомографии..................................144
Заключение........................................................147
Список использованных источников..................................149
Введение
В данной диссертации разрабатываются оптические методы исследования локальных и интегральных параметров голографических дифракционных микроструктур.
Голографические дифракционные микроструктуры - это элементы, основанные на способности света изменять свои свойства при взаимодействии с мелко структурированной поверхностью, которая формируется с использованием принципов голографии. Данный эффект базируется на дифракции света на элементах структуры ГДС соизмеримых с длиной волны света и последующей интерференции дифрагировавших световых полей.
До развития голографии перечень оптических элементов, действие которых основано на явлении дифракции, ограничивался дифракционными решетками и зонными пластинками. Положение изменилось с появлением голографии.
Первая голограмма была получена в 1947 году Д. Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Он же придумал само слово "голография”, которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта.. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно [1]. Д. Габор в 1971 г. за изобретение голо! рафии был удостоен Нобелевской премии.
После создания в 1960 году красных рубинового (длина волны 694 нм, работает в импульсном режиме) и гелий-неонового (длина волны 633 нм, работает непрерывно) лазеров, голография начала интенсивно развиваться.
В 1962 году была создана классическая схема записи голограмм
Э.Лента и Ю. Упатииекса из Мичиганского Технологического Института (голограммы Лойта-Упатниекса) [2,3] , в которой записываются
пропускающие голограммы (при восстановлении голограммы свет
8
пропускают через фотопластинку, хотя на практике некоторая часть света от неё отражается и также создаёт изображение, видимое с противоположной стороны). Предложенный метод осуществлял запись голограмм в тонкослойной фотографической среде. Такого рода голограммы восстанавливают трехмерное изображение только в лазерном свете. Поэтому данный метод в технологии получения защитных элементов используется-только на подготовительном этапе для записи мастер голограмм.
В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.
В результате длительной работы в 1968 году Ю. Н. Денисюк получил высококачественные (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов мешало получению высокого качества) голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм. Эта схема называется схемой Денисюка, а полученные' с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка. Метод Ю.Н. Денисюка основан на формировании дифракционной структуры в толстослойной фотографической эмульсии и позволяет наблюдать объемное изображение в белом свете. Этот метод используется в настоящее время для защиты документов при записи и тиражировании голограмм на фотополимерных носителях (пленках) [4]. Ю.Н. Денисюку за предложенный метод записи голограмм и последующие работы в области голографии в 1971 г. присуждена Ленинская премия.
В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (т.е. нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера (которая редко превышает несколько метров, а чаще
всего составляет всего несколько десятков сантиметров) и размерами фотопластинки. Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует. Например, нарисовав выдуманный, объеюг с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов (например, линзовые растры), однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.
Наиболее широкое распространение при изготовлении4 голографических защитных элементов получила, одна из разновидностей голографии Лейта, т.н. «радужная» голография, которая была изобретена-Бентоном [5] в 1976г. Метод, предложенный позволяет создавать голограммы, восстанавливаемые белым светом и, что не менее важно, эти голо1раммы могут быть легко механически размножены в любых требуемых количествах.Именно такие голограммы оказались пригодными для массового тиражирования путем тиснения на гибкую основу, сохраняя при этом способность, формировать объемное трехмерное изображение при освещении белым светом.
Голография в России в 1970-х г.г.представляла собой новую науку и базы для ее развития практически не существовало.
В 1966 году во ВНИИОФИ была образована лаборатория голографии и когерентной оптики. Начальником лаборатории была назначена кандидат технических наук (с 1970 года доктор технических наук) Вера Моисеевна Гинзбург. В лаборатории были разработаны первые в стране универсальные серийные голографические установки - УИГ-1, предназначенные для исследований в области голографии с импульсными лазерами - мощный одномодовый рубиновый лазер с двумя каскадами усиления и оптической скамьей для крепления держателей оптических элементов, и УИГ-2, предназначенная для исследований в области голографии с лазерами непрерывного режима работы. Эти установки выпускались серийно до 1990
года и благодаря им развивалась голография в СССР, причем не только в крупных НИИ или на предприятиях, но и в учебных заведениях.
Под руководством В.М.Гинзбург начались исследования и в области неоптической голографии: в диапазоне СВЧ, в ультразвуковом излучении, исследования в цифровой голографии и в обработке результатов голографических измерений [6,7]. Результаты первых исследований и разработок вошли в монографию «Голография. Методы и аппаратура», выпущенную издательством Советское Радио в 1972 году [8] и ставшую настольной книгой всех, кто развивал в эти годы отечественную голографию.
Голографический метод изготовления оптических элементов и в настоящее время является весьма актуальным. К его достоинствам можно отнести, в частности, возможность изготовления оптических элементов, предназначенных для работы в пределах всего видимого диапазона, тиражирование прецизионных, в том числе и крупногабаритных, реальных объектов (физически существующих), возможность получения сложных оптических элементов за счет последовательного копирования отдельных составляющих на один и тот же участок регистрирующей среды и т.д.[9-11]
Голография изобретена не только как явление, не только как метод создания объемных изображений, но и как метод расчета полей, положивший начало цифровой голографии, о чем будет сказано ниже.
Голограммы, голографические дифракционные структуры, дифракционные оптические элементы находят широкое применение в различных областях науки и техники. Голографические (или голограммные) оптические элементы представляют собой голограммы, на которых записаны волновые фронты специальной формы. Голографические оптические элементы можно сконструировать для преобразования любого входного волнового фронта в любой другой выходной фронт независимо от параметров материала подложки, например, от кривизны или показателя преломления. С их помощью возможна коррекция аберрации оптических систем, в таком случае ГОЭ выступают как
составные элементы сложных оптических приборов. ГОЭ используют и как самостоятельные оптические элементы в качестве линз, зеркал, дифракционных решеток, мультипликаторов и др. [12].
Способность голограмм Фурье хранить информацию успешно реализуется в голографических запоминающих устройствах [13]. При построении последних стандартным стало использование принципа страничной записи информации в виде матрицы голограмм с их адресацией лучом лазера. Преимущества оптической памяти состоят в большой емкости (и, соответственно, высокой плотности хранения информации) и высоком быстродействии, возможности параллельной-обработки информации, высокой надежности хранения, быстром доступе к массивам информации, отсутствии энергопотребления в статическом
состоянии, а главное - большой помехоустойчивости голограмм. Все
ГЗУ можно разделить на следующие основные типы: оперативные ГЗУ (на двумерных голограммах и трехмерных с трехкоординатной адресацией); массовые ГЗУ; - ГЗУ постоянного типа; - архивные ГЗУ. [14, 15].
Кроме этого голограммы, голографические дифракционные структуры используются для анализа формы радиосигналов[ 16-20],
измерения формы поверхности различных изделий [21], коррекции аберраций оптических систем [20-23], создания различных оптических элементов [25-27] и систем связи [28], измерений параметров
быстропротекающих процессов[29,30], в гидроакустике и гидрофизике [31].
Также голографические дифракционные структуры различных типов используются для маркировки документов и товаров с целью защиты от подделки.
Наиболее широкое распространение при изготовлении голографических защитных элементов получила одна из разновидностей голографии Лсйта, «радужная» голография, которая была изобретена Бентоном [32] в 1976г. Именно такие голограммы оказались пригодными для массового тиражирования путем тиснения на гибкую основу, сохраняя при
этом способность, формировать объемное трехмерное изображение при освещении белым светом.
Другой вид голографии, который нашел широкое применение при изготовлении оптических защитных элементов - цифровая голография [33], основанный на моделировании голографического процесса на ЭВМ. Цифровой синтез голограмм имеет ряд важных применений при создании дифракционных оптических элементов нового типа: мультипликаторы, сканаторы, с произвольным законом сканирования, фокусаторы и т.д. Разработка алгоритмов синтеза на ЭВМ голографических элементов, обладающих свойствами радужных и объемных голограмм, а также оригинальных дифракционных структур с визуальными эффектами выдвинула данный метод, как один из основных при создании оптических защитных меток.
Имеется ряд веских оснований для такого синтеза- голограмм и, в частности, то обстоятельство, что геометрические размеры голографического объекта в этом случае не ограничиваются такими факторами, как когерентность освещения, вибрация или турбулентность воздуха, и появляется возможность исследовать путем моделирования некоторые голографические эффекты.
Еще более существенным моментом, стимулирующим синтез голограмм с помощью компьютеров, является возможность создать оптический волновой фронт для такого объекта, который физически не существует. Потребность в формировании волнового фронта, соответствующего объекту, определяемому расчетным путем, возникает в любом случае, когда требуется визуально отобразить в трех измерениях результаты того или иного трехмерного исследования, например, при моделировании разрабатываемых конструкций. Иногда волновой фронт от синтезированной голограммы может служить интерференционным эталоном для контроля сложной оптической поверхности в процессе ее обработки. Другая область применения таких голограмм связана с экспериментами по
пространственной фильтрации. В некоторых случаях изготовить фильтр с заданной функцией оптическими методами бывает затруднительно, в то же время компьютер решает подобные задачи сравнительно легко [34].
Для изготовления и тиражирования используются методы, аналогичные тем, что используются при производстве печатных плат в микроэлектронике.
Каждый микроскопический участок поверхности голограммы представляет собой дифракционную решетку в виде чередования светлых и темных полос. Эта совокупность может быть получена не только путем съемки реального объекта, но и путем синтеза из отдельных элементов. Под цифровыми методами синтеза (записи) голограмм обычно понимают такие методы записи, при которых голограмма записывается из отдельных элементов по предварительно заданной программе [35]. Цифровая голограмма может состоять как из отдельных элементарных голограмм, так и из отдельных элементов (штрихов) [36,37].
Синтез голограммного изображения осуществляется путем решения задачи, каково должно быть чередование полос для того, чтобы при его восстановлении получить требуемое изображение. Современное программное обеспечение позволяет рассчитать дифракционную структуру, при восстановлении которой может быть получено даже трехмерное изображение объекта.
В настоящее время наиболее распространены следующие технологии записи оригиналов голограмм: электронно-лучевая и точечно-матричная.
Электронно-лучевая технология основана на создании микрорельефа с заданными параметрами при помощи электронного луча, который можно сфокусировать в пятно размером несколько нанометров. Расчет параметров микрорельефа представляет собой решение обратной задачи синтеза изображения в оптическом диапазоне, что делает технологию чисто цифровой. Этот метод занимает особое место среди технологий записи по целому ряду причин:
- Київ+380960830922