Голографическая интерференционная микроскопия - Holographic interference microscopy
Эта статья фактическая точность оспаривается.Март 2018 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) ( |
Голографическая интерференционная микроскопия (ЕМУ) является голографическая интерферометрия подал заявку на микроскопия для визуализации фаза микро-объекты. Фазовые микрообъекты невидимы, потому что не изменяются интенсивность света они вставляют только невидимые фазовые сдвиги. Голографическая интерференционная микроскопия отличается от других методов микроскопии тем, что использует голограмма и вмешательство для преобразования невидимого фазовые сдвиги в интенсивность изменения.
Другой метод микроскопии, связанный с голографической интерференционной микроскопией: фазово-контрастная микроскопия, голографическая интерферометрия.
Методы голографической интерференционной микроскопии
Голография родился как «новый принцип микроскопии». Д. Габор изобрел голографию для электронная микроскопия. По некоторым причинам его идея не применяется в этой ветке микроскопия. Но изобретение голографии открыло новые возможности в изображении фазовых микрообъектов за счет применения в микроскопии методов голографической интерференции, которые позволяют не только качественно, но и количественно исследовать. Сочетание голографической интерференционной микроскопии с методами численной обработки решило проблему 3D-изображения необработанного, нативного микрообъекта биологической фазы.[1][2][3]
В методе голографической интерференции изображения возникают в результате интерференции двух объектных волн, прошедших один и тот же путь через оптическую систему микроскопа, но в разные моменты времени: восстановленная по голограмме «пустая» объектная волна и возмущенная объектная волна. исследуемыми фазовыми микрообъектами. Голограмма «пустой» объектная волна записываются с использованием опорного луча, и он используются в качестве оптического элемента голографической интерференции microscope.In зависимости от условий помех могут быть реализованы два метода голографической интерференционной микроскопии: метод голографического фазового контраста и метод голографического интерференционного контраста. В первом случае фазовые сдвиги, вносимые фазовым микрообъектом в проходящую через него световую волну, преобразуются в изменения интенсивности в его изображении; а во втором случае - на отклонения интерференционных полос.
Голографический фазово-контрастный метод
Голографический фазово-контрастный метод метод голографической интерференционной микроскопии для фазовой визуализации микротел, преобразующий фазовые сдвиги вставлен микротелом в волна света, проходящего через него, изменяет интенсивность изображения. Метод основан на голографическое дополнение (конструктивное вмешательство ) или же голографическое вычитание (деструктивное вмешательство ) "пустой" волны, восстановленной по голограмма, а также объектная волна, возмущенная исследуемыми фазовыми микрообъектами. Изображение можно рассматривать как интерферограмма в интерференционных полосах бесконечной ширины.
Метод решает ту же проблему, что и Ф. Зернике. фазовый контраст метод. Но по сравнению с методом фазового контраста Ф. Цернике этот метод имеет ряд преимуществ. За счет равных интенсивностей интерферирующих волн метод голографического фазового контраста позволяет получить максимальную контраст изображений. Размеры микротела не ограничивают возможности применения метода, хотя метод фазового контраста Ф. Цернике работает тем успешнее, чем меньше микротело по толщине и размерам. Изображение в методе голографического фазового контраста является результатом взаимодействия двух одинаковых волн и не содержит аберрации.
Метод может быть реализован как метод голографического сложения и вычитания в интерференционная полоса. Между интерферирующими волнами вводится небольшой угол, так что период Полученная система интерференционных полос значительно превышает размер изображения. Условия для противофазности или синфазности волн (голографическое вычитание или сложение) автоматически создаются внутри темных и ярких интерференционных полос соответственно.
Интенсивности на изображении микротела и интенсивность фон в случае сложения волн в яркой интерференционной полосе определяются выражениями:
;
и интенсивности на изображении микротела и интенсивность фона в случае вычитания волн в темной интерференционной полосе (волны противофазны):
;
куда - фазовый сдвиг, вносимый микротелом в прошедшую через него волну; - интенсивность каждой из двух волн. Так, темные изображения фазовых микрообъектов могут наблюдаться на светлом фоне в случае сложения волн, а яркие изображения на темном фоне - в случае вычитания волн. Контрастность изображений максимальная.
В интенсивность распределение на изображениях зависит от фазовых сдвигов, вносимых исследуемыми микрообъектами. Таким образом, метод позволяет измерять фазовые сдвиги, а трехмерные изображения фазовых микрообъектов можно реконструировать при компьютерной обработке их фазово-контрастных изображений.
Высокая чувствительность к вибрации это основные предпосылки метода. Это требует развивающийся голограмма на своем месте. Так что метод остается «экзотическим», и широко не применяется.
Голографический интерференционно-контрастный метод
Голографический интерференционно-контрастный метод метод голографической интерференционной микроскопии для фазовой визуализации микротел, преобразующий фазовые сдвиги вставляется микротелом в прошедшую световую волну света в отклонения интерференционных полос на его изображении. Между «пустым» волна и волну, возмущенную фазовыми микротелами, так что получается система прямых интерференционных полос, которые отклоняются на изображении микротела. Изображение можно рассматривать как интерферограмма в полосах конечной ширины. Отклонение интерференционной полосы в точке изображения линейно зависит от фазового сдвига вставлен в соответствующую точку микротела:
,
куда - установленный период системы интерференционных полос. Итак, интерференционно-контрастное изображение (интерферограмма ) визуализирует фазовый силуэт микротела в виде искривленных линий; а фазовые сдвиги можно измерить просто «линейкой». Это дает возможность рассчитать оптическая толщина микротела в каждой точке. Метод позволяет измерить толщину микротела, если его показатель преломления известно или измерить его показатель преломления если известна толщина. Если у микротела есть однородный показатель преломления Распространение, можно восстановить его физическую трехмерную форму при цифровой обработке изображений. Метод может использоваться для толстых и тонких, малых и больших микротел. За счет равной интенсивности мешающих волн контраст изображения максимален. «Пустая» волна реконструируется по голограмме как реплика объектной волны. Итак, из-за вмешательство одинаковых волн оптические аберрации оптической системы компенсируются, а изображения свободны от оптические аберрации.
Оба метода голографической интерференционной микроскопии могут быть реализованы в одном устройстве голографического интерференционного микроскопа, использующего оптический микроскоп в внеосевом обычной голографической установке, с опорной волной, которая является обычной для голография, а лазер как последовательный источник света, и голограмма. "Пустая" объектная волна, создаваемая цель при отсутствии исследуемых микрообъектов записывается на голограмма используя опорную волну. Развитые голограмма возвращается в исходное положение и работает как фиксированный оптический элемент голографического интерференционного микроскопа. Изображения появляются при одновременном наблюдении волны реального объекта, возмущенной микротелом, и волны «пустого» объекта, восстановленной из голограмма. В период наблюдаемой интерференционной картины корректируется просто перекрестным смещением голограмма из исходного положения.
Основными предпосылками использования методов HIM являются когерентный шум и пятнышко структура изображений, возникающих в результате использования последовательный источник света.
Методы голографической интерференционной микроскопии были разработаны и применены для исследования фазовых микрообъектов в 80-е годы прошлого века.[4][5][6][7][8]
В конце 90-х годов прошлого века компьютер начали использовать для трехмерного изображения фазовых микрообъектов по их интерферограммам. При исследовании эритроцитов крови впервые были получены 3D-изображения.[9] А с начала 21 века голографическая интерференционная микроскопия превратилась в цифровую голографическую интерференционную микроскопию.
Цифровая голографическая интерференционная микроскопия
Цифровая голографическая интерференционная микроскопия (DHIM) представляет собой сочетание голографической интерференционной микроскопии с цифровыми методами обработки изображений для трехмерной визуализации фазовых микрообъектов. Голографические фазово-контрастные или интерференционно-контрастные изображения (интерферограммы) записываются цифровой камерой, с которой компьютер восстанавливает трехмерные изображения с использованием числовых данных. алгоритмы.
Наиболее близким методом к цифровой голографической интерференционной микроскопии является метод цифровая голографическая микроскопия. Оба метода решают одну и ту же проблему трехмерного изображения микрообъектов. Оба метода используют опорную волну для получения информации о фазе. Цифровая голографическая интерференционная микроскопия - это более «оптический» метод. Это делает этот метод более очевидным и точным, в нем используются понятные и простые численные алгоритмы. Цифровая голографическая микроскопия - это более «цифровой» метод. Это не так очевидно; применение сложных приближенных численных алгоритмов не позволяет достичь оптической точности.
Цифровая голографическая интерференционная микроскопия позволяет получать трехмерные изображения и неинвазивное количественное исследование биомедицинских микрообъектов, таких как клетки организма. Метод успешно применяется для изучения трехмерной морфологии эритроцитов крови при различных заболеваниях;[10][11][12][13] изучить, как озонотерапия влияет на форму эритроцитов,[14] изучить изменение трехмерной формы эритроцитов крови у пациента с серповидно-клеточной анемией при снижении концентрации кислорода в крови и влияние гамма-излучения в сверхлетальной дозе на форму эритроцитов крыс.[15]
Метод может быть использован для измерения толщины тонких прозрачных пленок, кристаллов и / или трехмерного изображения их поверхностей для контроля качества.[16][17][18]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Тишко, Т. В., Титарь В. П., Тишко Д. Н. (2005). «Голографические методы трехмерной визуализации микроскопических фазовых объектов» .J. Опт. Технология, 72 (2): 203–209.
- ^ Голографическая микроскопия фазовых микроскопических объектов. Теория и практика. Татьяна Тишко, Тишко Дмитрий, Титар Владимир, World Scientific (2010).ISBN 978-981-4289-54-2
- ^ Тишко, Т. В., Тишко Д. Н., Титарь В. П. «Трехмерное изображение фазовых микроскопических объектов методом цифровой голографии. В: Duke EH, Aquirre SR. «3D-изображения: теория, технология и применение», Нью-Йорк: Nova Publishers (2010): 51–92.ISBN 978-1-60876-885-1.
- ^ Сафронов Г.С., Тишко Т.В. Получение контрастных изображений фазовых микроскопических объектов суммированием волновых фронтов. Украинск. Физич. Ж., 30: 334–337 с.
- ^ Сафронов Г.С., Тишко Т.В. Голографическая интерферометрия фазовых микроскопических объектов. Украинск. Физич. Ж., 30: 994–997.
- ^ Сафронов Г.С., Тишко Т.В. (1987). «Фазово-контрастный голографический микроскоп». Приб. Tech. Эксп, 2:249.
- ^ Голографические измерения Гинзбург В.М., Степанов Б.М., Радио и Свящ, Москва, Ру, (1981).
- ^ Расширенная световая микроскопия Плуты М., Эльзевир, Нью-Йорк, (1988).
- ^ Тишко Т. В., Титарь В. П., Панфилов Д. А., Тишко Д. Н. (1998) "Применение метода голографической интерферометрии для определения формы эритроцитов крови человека". Вестн. Харьков .Нац. Univ., Ser Biol. Вестник., 2 (1): 107–111.
- ^ Теория и практика микроскопии эритроцитов Новицкий В.В., Рязанцева Н.В., Степовая Е.А., Шевцова Н.М., Миллер А.А., Зайцев Б.Н., Тишко Т.В., Титарь В.П., Тишко Д.Н., Печатная. Мануфактура, Томск (Ру) (2008)
- ^ Тишко Т.В., Тишко Д.Н., Титарь В.П. Применение цифровой голографической интерференционной микроскопии для изучения трехмерной морфологии эритроцитов крови человекаВ: «Текущий вклад микроскопии в достижения науки и техники» Антонио Мендес-Вилас, Исследовательский центр Formatex, 2: 729–736 (2012),ISBN 978-84-939843-5-9.
- ^ Тишко Т.В., Титарь В.П., Тишко Д.Н., Носов К.В. (2008). «Цифровая голографическая интерференционная микроскопия в исследовании трехмерной морфологии и функциональности эритроцитов крови человека», Лазерная физика, 18(4):1–5.
- ^ Тишко, Т.В. Тишко, Д.Н., Титарь, В.П. (2009) «Визуализация клеток крови голографическим методом», Визуализация и микроскопия, 2:46–49.
- ^ Тишко Т.В., Титарь В.П., Барчоткина Т.М., Тишко Д.Н. (2004). «Применение голографического интерференционного микроскопа для исследования влияния озонотерапии на эритроциты крови больных in vivo» SPIE, 5582:119–123
- ^ Тишко Т.В., Титарь В.П., Тишко Д.Н. (2008). «3D морфология эритроцитов крови методом цифровой голографической интерференционной микроскопии», SPIE, 7006: 70060O-70060O-9.
- ^ Тишко Д.Н., Тишко Т.В., Титарь В.П. (2009) «Использование цифровой голографической микроскопии для исследования прозрачных тонких пленок». J. Opt. Technol,76(3):147–149.
- ^ Тишко Д.Н., Тишко Т.В., Титар В.П. (2010). "Применение цифровой голографической интерференционной микроскопии для исследования тонких прозрачных пленок". Практическая металлография,12:.719-731.
- ^ Тишко Т.В., Тишко Д.Н., Титарь В.П. (2012). «Сочетание методов поляризационно-контрастного и интерференционно-контрастного для трехмерной визуализации анизотропных микрообъектов». J. Opt. Technol, 79(6):340–343.