а) Схематическое изображение когерентного сканирующего интерферометра с высокой числовой апертурой на основе микросфер.
b) Интенсивности примерных симуляций МКЭ взаимодействия вертикально падающего света и поверхности в сочетании с микроцилиндром для различных материалов и длин волн. На различных установках исследуется влияние различных физических эффектов, возникающих при взаимодействии, на результаты измерений CSI.
c) Результаты моделирования CSI (NA=0,9) (называемые интерферограммами), полученные от диэлектрического плоского зеркала, фазовой решетки с периодом 300 нм и той же решетки, сдвинутой вбок на половину длины периода. Как показано на увеличенном участке, профиль решетки можно получить в фокальной плоскости сферы.
d) Моделированная интерферограмма решетки с периодом 300 нм, полученная методом CSI с числовой апертурой = 0,52. Заметим, что согласно пределу разрешения Аббе в воздухе эта решетка не должна разрешаться. На среднем рисунке показаны профили решетки, восстановленные путем оценки огибающей (env) и фазы (ph) для решетки и ее обратной (смещенной в поперечном направлении на половину длины периода). Как показано, решетка, очевидно, разрешается благодаря помощи микроцилиндра. На правом рисунке показано отличие профиля решетки от обратного. Стандартное отклонение этой разности можно рассматривать как величину разрешения и оно равно нулю, если решетка не разрешена. Авторы и права: Тобиас Пал, Люси Хюзер, Себастьян Хагемайер и Питер Леманн. На среднем рисунке показаны профили решетки, восстановленные путем оценки огибающей (env) и фазы (ph) для решетки и ее обратной (смещенной в поперечном направлении на половину длины периода). Как показано, решетка, очевидно, разрешается благодаря помощи микроцилиндра. На правом рисунке показано отличие профиля решетки от обратного. Стандартное отклонение этой разности можно рассматривать как величину разрешения и оно равно нулю, если решетка не разрешена. Авторы и права: Тобиас Пал, Люси Хюзер, Себастьян Хагемайер и Питер Леманн. На среднем рисунке показаны профили решетки, восстановленные путем оценки огибающей (env) и фазы (ph) для решетки и ее обратной (смещенной в поперечном направлении на половину длины периода). Как показано, решетка, очевидно, разрешается благодаря помощи микроцилиндра. На правом рисунке показано отличие профиля решетки от обратного. Стандартное отклонение этой разности можно рассматривать как величину разрешения и оно равно нулю, если решетка не разрешена. Авторы и права: Тобиас Пал, Люси Хюзер, Себастьян Хагемайер и Питер Леманн. Стандартное отклонение этой разности можно рассматривать как величину разрешения и оно равно нулю, если решетка не разрешена. Авторы и права: Тобиас Пал, Люси Хюзер, Себастьян Хагемайер и Питер Леманн. Стандартное отклонение этой разности можно рассматривать как величину разрешения и оно равно нулю, если решетка не разрешена.
Авторы и права: Тобиас Пал, Люси Хюзер, Себастьян Хагемайер и Питер Леманн.

Оптические методы измерения интенсивности света в дальнем поле, такие как обычная и конфокальная микроскопия или когерентно-сканирующая интерферометрия (CSI), позволяют быстро и бесконтактно исследовать несколько типов образцов. Тем не менее, оптические измерительные приборы страдают от эффектов дифракции, что приводит к фундаментальному ограничению бокового разрешения, определяемому минимальной разрешаемой длиной периода предела Аббе и числовой апертурой объектива (ЧА).

В новой статье, опубликованной в журнале Light: Advanced Manufacturing, группа ученых во главе с профессором Питером Леманном из Университета Касселя разработала новую модель для моделирования микроскопических изображений в интерференционной микроскопии с усилением микросфер.

Микросферы могут применяться в микроскопических изображениях и измерениях для преодоления предела разрешения. Показано, что микросферы, расположенные близко к поверхности, позволяют локально улучшить боковое разрешение и увеличить увеличение. Микросферы также можно комбинировать с CSI для получения информации об электромагнитной фазе. Поскольку улучшение оптического разрешения представляет большой интерес во многих областях применения микроскопических изображений, измерения с усилением микросфер являются частью многих недавних экспериментальных и теоретических публикаций.

Микросферы из материала с высоким коэффициентом преломления можно комбинировать с иммерсионными объективами или встраивать в эластомеры. Измерения с помощью микросфер также применимы к биологическим и медицинским объектам, таким как вирусы и субклеточные структуры, или для идентификации клеток крови. В результате измерения с помощью микросфер используются во многих приложениях. Многие теоретические исследования проводятся для понимания и анализа явлений, ведущих к повышению разрешения.

Исследовательская группа представила моделирование, в котором рассматривается полный процесс формирования изображения интерференционного микроскопа с усилением микросфер, работающего в режиме отражения, оснащенного объективами с высокой числовой апертурой, с использованием расчета методом конечных элементов процесса рассеяния в ближнем поле. В отличие от предыдущих теоретических моделей, они рассмотрели полное трехмерное коническое освещение Келера падающими волнами и коническое изображение поля рассеянного света микросферой.

Модель надежно воспроизводит результаты измерений, что продемонстрировано для нескольких топографий поверхности, измеренных с помощью CSI. Дано первое количественное сравнение с результатами измерений интерферометрии с помощью микросфер. Используя модель, исследователи представили метод оценки увеличения разрешения микросферой. Они продемонстрировали относительное улучшение бокового разрешения и показали, что увеличенное боковое увеличение уменьшается с увеличением числовой апертуры. Напротив, поле зрения увеличивается при больших значениях числовой апертуры объектива микроскопа.

Кроме того, представленный подход позволяет будущим исследователям анализировать влияние параметров и находить наиболее подходящую экспериментальную установку в зависимости от формы, размера и материала микроэлемента, а также окружающего материала для улучшения разрешения и точности профиля CSI. Модель может быть распространена на обычную микроскопию, конфокальную микроскопию и другие оптические профилировщики без значительных усилий. Таким образом, представленная модель может внести значительный вклад в лучшее понимание систем измерения с помощью микросфер и улучшить их возможности визуализации посредством изучения параметров.