Анализ фазовых изображений, полученных при использовании голографической системы регистрации на основе эффекта геометрической фазы и поляризационной камеры

Предмет исследования. Представлены результаты измерения глубины поверхности тестового объекта с применением цифровой голографии. Выполнено сравнение полученного изображения с моделью, построенной на основе документации к калибровочному слайду. Метод. В предложенном голографическом микроскопе вместо окуляра использована линза с эффектом геометрической фазы, которая преобразует пучок с линейной поляризацией в пару пучков с круговыми поляризациями (расходящийся и сходящийся). Для получения фазового распределения применен метод параллельного фазового сдвига. С помощью поляризационной камеры за одну экспозицию зарегистрировано четыре интерферограммы, соответствующие четырем линейным проекциям интерферирующих волн с правой и левой круговой поляризациями. Основные результаты. Получены голограммы фазового объект-микрометра, по которым методом параллельного фазового сдвига проведено восстановление распределения фазового запаздывания, вносимого объектом. Для коррекции аберрации применено вычитание зарегистрированного фазового набега освещающей волны — экспериментально полученной фазы волнового фронта без объекта. Практическая значимость. Разработанный цифровой голографический фазовый микроскоп на основе геометрической фазовой линзы и поляризационной камеры позволяет корректно визуализировать профиль рельефа поверхности. Микроскоп может найти применение в качестве инструмента для мониторинга состояния биологических объектов, подвергаемых внешнему воздействию.

1. ГОСТ Р 59321.3. Оптика и фотоника ГОЛОГРАФИЯ Часть 3. Голография цифровая и компьютерная. Термины и определения, 2021.

2. Kemper B., von Bally G. Digital holographic microscopy for live cell applications and technical inspection // Applied Optics. 2008. V. 47. N 4. P. A52. https://doi.org/10.1364/ao.47.000a52

3. Cacace T., Bianco V., Ferraro P. Quantitative phase imaging trends in biomedical applications // Optics and Lasers in Engineering. 2020. V. 135. P. 106188. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106188

4. Alam Z., Poddar R. An in-vivo depth resolved imaging of developing zebrafish microstructure and microvasculature using swept source optical coherence tomography angiography // Optics and Lasers in Engineering. 2022. V. 156. P. 107087. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2022.107087

5. Kulya M.S., Balbekin N.S., Gredyuhina I.V., Uspenskaya M.V., Nechiporenko A.P., Petrov N.V. Computational terahertz imaging with dispersive objects // Journal of Modern Optics. 2017. V. 64. N 13. P. 1283–1288. https://doi.org/10.1080/09500340.2017.1285064

6. Kulya M., Semenova V., Gorodetsky A., Bespalov V.G., Petrov N.V. Spatio temporal and spatiospectral metrology of terahertz broadband uniformly topologically charged vortex beams // Applied Optics. 2019. V. 58. N 5. P. A90. https://doi.org/10.1364/ao.58.000a90

7. Balbekin N.S., Kulya M.S., Belashov A.V., Gorodetsky A., Petrov N.V. Increasing the resolution of the reconstructed image in terahertz pulse time domain holography // Scientific Reports. 2019. V. 9. N 1. P. 180. https://doi.org/10.1038/s41598-018-36642-3

8. Petrov N.V., Sokolenko B., Kulya M.S., Gorodetsky A., Chernykh A.V. Design of broadband terahertz vector and vortex beams: II. Holographic assessment // Light: Advanced Manufacturing. 2022. V. 3. N 44. https://doi.org/10.37188/lam.2022.044

9. Grachev Y.V., Kokliushkin V.A., Petrov N.V. Open source 3D printed terahertz pulse time domain holographic detection module // Applied Optics. 2022. V. 61. N 5. P. B307. https://doi.org/10.1364/ao.444979

10. Khoroshun A.N., Chernykh A.V., Kucher S.V., Tsymbaluk A.N. Optimal parameters of a shearing interferometer with a singular light source // Journal of Optical Technology. 2012. V. 79. N 1. P. 9–11. https://doi.org/10.1364/jot.79.000009

11. Petrov N.V., Pavlov P.V., Malov A.N. Numerical simulation of optical vortex propagation and reflection by the methods of scalar diffraction theory // Quantum Electronics. 2013. V. 43. N 6. P. 582–587. https://doi.org/10.1070/qe2013v043n06abeh015190

12. Porfirev A.P., Khonina S.N. Simple method for efficient reconfigurable optical vortex beam splitting: erratum // Optics Express. 2017. V. 25. N 25. P. 32214. https://doi.org/10.1364/oe.25.032214

13. Khoroshun A.N., Chernyk A.V., Tsimbaluk A.N., Kirichenko J.A., Yezhov P.V., Kim J. T. Experimental realization of an axial optical vortex beam synthesis using a Gaussian beam and two ramps from a spatial light modulator // Proceedings of SPIE. 2013. V. 9066. P. 90660P. https://doi.org/10.1117/12.2049059

14. Bekshaev A., Chernykh A., Khoroshun A., Masajada J., Popiołek Masajada A., Riazantsev A. Controllable singular skeleton formation by means of the Kummer optical-vortex diffraction at a rectilinear phase step // Journal of Optics. 2021. V. 23. N 3. P. 034002. https://doi.org/10.1088/2040-8986/abcea7

15. Демин В.В., Макаров А.В., Половцев И.Г. Регистрация планктона с помощью имитатора погружаемой голографической камеры // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19. № 4. С. 312–318.

16. Бразовский В.В., Вагнер В.А., Евстигнеев В.В., Еськов А.В., Пролубников В.И., Тубалов Н.П. Голографический метод исследования дисперсного состава аэрозоля // Горизонты образования. 2006. № 8. С. 1–9.

17. Nikolaeva T.Y., Petrov N.V. Characterization of particles suspended in a volume of optical medium at high concentrations by coherent image processing // Optical Engineering. 2015. V. 54. N 8. P. 083101. https://doi.org/10.1117/1.oe.54.8.083101

18. Nikolaeva T.Y., Petrov N.V. Statistical study of coherent images of particles in the volume of optical medium // Proceedings of SPIE. 2014. V. 9216. P. 921612. https://doi.org/10.1117/12.2061671

19. Vovk T.A., Petrov N.V. Correlation characterization of particles in volume based on peak to basement ratio // Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 43840. https://doi.org/10.1038/srep43840

20. Ларкин А.И. Визуализация и распознавание треков частиц методами когерентной лазерной голографии // Научная визуализация. 2018. Т. 10. № 1. С. 49–55. https://doi.org/10.26583/sv.10.1.03

21. Betin A.Y., Bobrinev V.I., Odinokov S.B., Evtikhiev N.N., Starikov R.S., Starikov S.N., Zlokazov E.Yu. Holographic memory optical system based on computer generated Fourier holograms // Applied Optics. 2013. V. 52. N 33. P. 8142–8145. https://doi.org/10.1364/ao.52.008142

22. Hesselink L., Orlov S.S., Bashaw M.C. Holographic data storage systems // Proceedings of the IEEE. 2004. V. 92. N 8. P. 1231–1280. https://doi.org/10.1109/jproc.2004.831212

23. Cheremkhin P.A., Evtikhiev N.N., Krasnov V.V., Kulakov M.N., Kurbatova E.A., Molodtsov D.Y., Rodin V.G. Demonstration of digital hologram recording and 3D scenes reconstruction in real time // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9889. P. 98891M. https://doi.org/10.1117/12.2227767

24. Ferraro P., Grilli S., Alfieri D., De Nicola S., Finizio A., Pierattini G., Javidi B., Coppola G., Striano V. Extended focused image in microscopy by digital holography // Optics Express. 2005. V. 13. N 18. P. 6738–6749. https://doi.org/10.1364/opex.13.006738

25. Nalegaev S.S., Belashov A.V., Petrov N.V. Application of photothermal digital interferometry for nonlinear refractive index measurements within a Kerr approximation // Optical Materials. 2017. V. 69. P. 437–443. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2017.03.030

26. Momgaudis B., Guizard S., Bilde A., Melninkaitis A. Nonlinear refractive index measurements using time resolved digital holography // Optics Letters. 2018. V. 43. N 2. P. 304–307. https://doi.org/10.1364/ol.43.000304

27. Petrov N.V., Nalegaev S.S., Belashov A.V., Shevkunov I.A., Putilin S.E., Lin Y.C., Cheng C.J. Time resolved inline digital holography for the study of noncollinear degenerate phase modulation // Optics Letters. 2018. V. 43. N 15. P. 3481. https://doi.org/10.1364/ol.43.003481

28. Belashov A.V., Cheng C. J., Petrov N.V. Noncollinear degenerate phase modulation in samples with inhomogeneous optical nonlinear properties [Invited] // Applied Optics. 2021. V. 60. N 10. P. B14–B2. https://doi.org/10.1364/AO.415102

29. Белашов А.В., Чжень Ч. Ж., Петров Н.В. О возможности иссле дования доли неоднородностей оптических нелинейных сред с помощью осевой цифровой голографии с временным разрешением // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 5. С. 846–854. https://doi.org/10.21883/JTF.2021.05.50699.340-20

30. Belashov A., Shevkunov I.A., Kolesova E.P., Orlova A.O., Putilin S.E., Veniaminov A.V., Cheng C. J., Petrov N.V. Investigation of nonlinear optical properties of quantum dots deposited onto a sample glass using time resolved inline digital holography // Journal of Imaging. 2022. V. 8. N 3. P. 74. https://doi.org/10.3390/jimaging8030074

31. Kumar V., Shakher C. Study of heat dissipation process from heat sink using lensless Fourier transform digital holographic interferometry // Applied Optics. 2015. V. 54. N 6. P. 1257–1266. https://doi.org/10.1364/AO.54.001257

32. Belashov A.V., Petrov N.V., Semenova I.V., Vasyutinskii O.S. Digital holographic micro interferometry of nonradiative transitions in biological specimens // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9529. P. 95290G. https://doi.org/10.1117/12.2184900

33. Creath K., Schwartz G.E. Dynamic visible interferometric measurement of thermal fields around living biological objects // Proceedings of SPIE. 2004. V. 5531. P. 24–31. https://doi.org/10.1117/12.562306

34. Конин Ю.А., Гаранин А.И., Перминов А.В. Дефектоскопия оп тических волокон и заготовок методом голографической интерферометрии // Прикладная фотоника. 2015. Т. 2. № 2. С. 154–165.

35. Prisiazhniuk A.V., Sokolenko B.V., Poletaev D.A., Shostka N.V. Digital holographic testing of the optical fiber at welding area // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1400. N 6. P. 066042. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1400/6/066042

36. Yamaguchi I., Kato J., Ohta S. Surface shape measurement by phase shifting digital holography // Optical Review. 2001. V. 8. N 2. P. 85– 89. https://doi.org/10.1007/s10043-001-0085-6

37. Yamaguchi I., Ohta S., Kato J. Surface contouring by phase shifting digital holography // Optics and Lasers in Engineering. 2001. V. 36. N 5. P. 417–428. https://doi.org/10.1016/s0143-8166(01)00069-0

38. Dong J., Jia S., Jiang C. Surface shape measurement by multi illumination lensless Fourier transform digital holographic interferometry // Optics Communications. 2017. V. 402. P. 91–96. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2017.05.051

39. Belashov A.V., Petrov N.V. Improvement of rough surfaces height map reconstruction accuracy in tilt angle illumination digital holography // Optical Engineering. 2020. V. 59. N 10. P. 102414. https://doi.org/10.1117/1.oe.59.10.102414

40. Katkovnik V., Shevkunov I., Petrov N.V., Egiazarian K. Multiwavelength surface contouring from phase coded noisy diffraction patterns: wavelength division optical setup // Optical Engineering. 2018. V. 57. N 8. P. 085105. https://doi.org/10.1117/1.oe.57.8.085105

41. Verrier N., Alloul L., Gross M. Vibration of low amplitude imaged in amplitude and phase by sideband versus carrier correlation digital holography // Optics Letters. 2015. V. 40. N 3. P. 411–414. https://doi.org/10.1364/ol.40.000411

42. Тычинский В.П. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов // Успехи физических наук. 2001. Т. 171. № 6. С. 649–662. https://doi.org/10.3367/UFNr.0171.200106e.0649

43. Belashov A.V., Zhikhoreva A.A., Belyaeva T.N., Kornilova E.S., Petrov N.V., Salova A.V., Semenova I.V., Vasyutinskii O.S. Digital holographic microscopy in label free analysis of cultured cells’ response to photodynamic treatment // Optics Letters. 2016. V. 41. N 21. P. 5035. https://doi.org/10.1364/ol.41.005035

44. Hu Y., Zuo C., Sun J., Chen Q., Zhang Y. A compact and lensless digital holographic microscope setup // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9524. P. 952426. https://doi.org/10.1117/12.2189634

45. Popescu G. Quantitative Phase Imaging of Cells and Tissues. First edition. New York: McGraw-Hill Education, 2011. 384 p.

46. Montresor S., Picart P. Quantitative appraisal for noise reduction in digital holographic phase imaging // Optics Express. 2016. V. 24. N 13. P. 14322. https://doi.org/10.1364/oe.24.014322

47. Katkovnik V., Shevkunov I.A., Petrov N.V., Egiazarian K. Wavefront reconstruction in digital off axis holography via sparse coding of amplitude and absolute phase // Optics Letters. 2015. V. 40. N 10. P. 2417–2420. https://doi.org/10.1364/ol.40.002417

48. Katkovnik V., Shevkunov I., Petrov N.V., Egiazarian K. High accuracy off axis wavefront reconstruction from noisy data: local least square with multiple adaptive windows // Optics Express. 2016. V. 24. N 22. P. 25068. https://doi.org/10.1364/oe.24.025068

49. Belashov A.V., Petrov N.V., Semenova I.V. Digital off axis holographic interferometry with simulated wavefront // Optics Express. 2014. V. 22. N 23. P. 28363–28376. https://doi.org/10.1364/oe.22.028363

50. Bianco V., Memmolo P., Leo M., Montresor S., Distante C., Paturzo M., Picart P., Javidi B., Ferraro P. Strategies for reducing speckle noise in digital holography // Light: Science & Applications. 2018. V. 7. N 1. P. 1–16. https://doi.org/10.1038/s41377-018-0050-9

51. Choi K., Joo K. I., Lee T. H., Kim H. R., Yim J., Do H., Min S. W. Compact self-interference incoherent digital holographic camera system with real time operation // Optics Express. 2019. V. 27. N 4. P. 4818. https://doi.org/10.1364/oe.27.004818

52. Rosen J., Vijayakumar A., Kumar M., Rai M.R., Kelner R., Kashter Y., Bulbul A., Mukherjee S. Recent advances in self-interference incoherent digital holography // Advances in Optics and Photonics. 2019. V. 11. N 1. P. 1–66. https://doi.org/10.1364/aop.11.000001

53. DeMars L.A., Mikuła-Zdańkowska M., Falaggis K., Porras Aguilar R. Single shot phase calibration of a spatial light modulator using geometric phase interferometry // Applied Optics. 2020. V. 59. N 13. P. D125–D130. https://doi.org/10.1364/ao.383610

54. Hong J., Kim M.K. Single shot self-interference incoherent digital holography using off axis configuration // Optics Letters. 2013. V. 38. N 23. P. 5196. https://doi.org/10.1364/ol.38.005196

55. Nguyen C.M., Muhammad D., Kwon H. S. Spatially incoherent common path off axis color digital holography // Applied Optics. 2018. V. 57. N 6. P. 1504. https://doi.org/10.1364/ao.57.001504

56. Quan X., Matoba O., Awatsuji Y. Single shot incoherent digital holography using a dual focusing lens with diffraction gratings // Optics Letters. 2017. V. 42. N 3. P. 383. https://doi.org/10.1364/ol.42.000383

57. Nguyen T.H., Edwards C., Goddard L.L., Popescu G. Quantitative phase imaging with partially coherent illumination // Optics Letters. 2014. V. 39. N 19. P. 5511. https://doi.org/10.1364/ol.39.005511

58. Kumar M., Matoba O., Quan X., Rajput S.K., Awatsuji Y., Tamada Y. Single shot common path off axis digital holography: applications in bioimaging and optical metrology [Invited] // Applied Optics. 2021. V. 60. N 4. P. A195. https://doi.org/10.1364/ao.404208

59. Bouchal P., Štrbková L., Dostál Z., Chmelík R., Bouchal Z. Geometric phase microscopy for quantitative phase imaging of isotropic, birefringent and space variant polarization samples // Scientific Reports. 2019. V. 9. N 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1038/s41598-019-40441-9

60. Mico V., Zalevsky Z., García J. Common path phase shifting digital holographic microscopy: A way to quantitative phase imaging and superresolution // Optics Communications. 2008. V. 281. N 17. P. 4273–4281. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2008.04.079

61. Hong J., Kim M. Overview of techniques applicable to self-interference incoherent digital holography // Journal of the European Optical Society: Rapid Publications. 2013. V. 8. P. 13077. https://doi.org/10.2971/jeos.2013.13077

62. Kim M.K. Incoherent digital holographic adaptive optics // Applied Optics. 2013. V. 52. N 1. P. A117–A130. https://doi.org/10.1364/ao.52.00a117

63. Shevkunov I., Petrov N.V. Phase retardation analysis in a rotated plane parallel plate for phase shifting digital holography // Journal of Imaging. 2022. V. 8. N 4. P. 87. https://doi.org/10.3390/jimaging8040087

64. Awatsuji Y., Sasada M., Kubota T. Parallel quasi phase shifting digital holography // Applied Physics Letters. 2004. V. 85. N 6. P. 1069– 1071. https://doi.org/10.1063/1.1777796

65. Chernykh A.V., Ezerskii A.S., Georgieva A.O., Petrov N.V. Study on object wavefront sensing in parallel phase shifting camera with geometric phase lens // Proceedings of SPIE. 2021. V. 11898. P. 118980X. https://doi.org/10.1117/12.2602841

66. Chernykh A.V., Georgieva A.O., Ezerskii A.S., Petrov N.V. Simple self-interference microscope design with geometric phase lens and polarization camera // Proc. of the Frontiers in Optics + Laser Science. 2021. P. JW7A.118. https://doi.org/10.1364/FIO.2021.JW7A.118

67. Godden T.M., Muñiz-Piniella A., Claverley J.D., Yacoot A., Humphry M.J. Phase calibration target for quantitative phase imaging with ptychography // Optics Express. 2016. V. 24. N 7. P. 7679. https://doi.org/10.1364/oe.24.007679

68. Shevkunov I., Georgieva A., Belashov A., Petrov N.V. Ptychography with DMD based complex valued probe // Proc. of the OSA Imaging and Applied Optics Congress (3D, COSI, DH, ISA, pcAOP). 2021. P. DM6C.6. https://doi.org/10.1364/DH.2021.DM6C.6

69. Choi K., Yim J., Min S. W. Achromatic phase shifting self-interference incoherent digital holography using linear polarizer and geometric phase lens // Optics Express. 2018. V. 26. N 13. P. 16212– 16225. https://doi.org/10.1364/oe.26.016212

70. Wolley O., Mekhail S., Moreau P. A., Gregory T., Gibson G., Leuchs G., Padgett M.J. Imaging below the camera noise floor with a homodyne microscope // arXiv. 2022. arXiv:2208.04898. https:// doi.org/10.48550/arXiv.2208.04898

71. Mikhail Polyanskiy. RefractiveIndex.INFO website [Электронный ресурс]. URL: https://refractiveindex.info/ (дата обращения: 10.05.2008).

72. Georgieva A.O., Belashov A.V., Petrov N.V. Complex wavefront manipulation and holographic correction based on digital micromirror device: a study of spatial resolution and discretisation // Proceedings o f S P I E . 2020 . V. 11294 . P. 112940B. https://doi.org/10.1117/12.2547702

73. Georgieva A., Belashov A.V., Petrov N.V. Optimization of DMD based independent amplitude and phase modulation by analysis of target complex wavefront // Scientific Reports. 2022. V. 12. N 1. P. 7754. https://doi.org/10.1038/s41598-022-11443-x

74. Georgieva A., Ezerskii A., Chernykh A., Petrov N. Numerical displacement of target wavefront formation plane with DMD based modulation and geometric phase holographic registration system // Atmospheric and Oceanic Optics. 2022. V. 35. N 3. P. 258–265. https://doi.org/10.1134/s1024856022030034

75. Khonina S.N., Khorin P.A., Serafimovich P.G., Dzyuba A.P., Georgieva A.O., Petrov N.V. Analysis of the wavefront aberrations based on neural networks processing of the interferograms with a conical reference beam // Applied Physics B. 2022. V. 128. N 3. P. 60. https://doi.org/10.1007/s00340-022-07778-y

76. Khorin P.A., Serafimovich P.G., Dzyuba A.P., Georgieva A.O., Petrov N.V., Khonina S.N. Comparing of linear and conical interferograms for wavefront aberrations analysis based on neural networks // Proceedings of SPIE. 2022. V. 12295. P. 122950Q. https://doi.org/10.1117/12.2630978

77. Linarès Loyez J., Ferreira J.S., Rossier O., Lounis B., Giannone G., Groc L., Cognet L., Bon P. Self-interference (SELFI) microscopy for live super resolution imaging and single particle tracking in 3D // Frontiers in Physics. 2019. V. 7. P. 68. https://doi.org/10.3389/fphy.2019.00068

78. Егорова Д.А., Куликов А.В., Мухтубаев А.Б. Метод и технология доставки оптического излучения к биологическим микрообъектам // Научно технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 5. С. 775–781. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2017-17-5-775-781