Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Голографическая интерференционная микроскопия ( HIM ) - это голографическая интерферометрия, применяемая в микроскопии для визуализации фазовых микрообъектов. Фазовые микрообъекты невидимы, потому что они не меняют интенсивность света, они вносят только невидимые фазовые сдвиги. Голографическая интерференционная микроскопия отличается от других методов микроскопии тем, что использует голограмму и интерференцию для преобразования невидимых фазовых сдвигов в изменения интенсивности .

Другими методами микроскопии, связанными с голографической интерференционной микроскопией, являются фазово-контрастная микроскопия , голографическая интерферометрия .

Методы голографической интерференционной микроскопии [ править ]

Голография родилась как «новый принцип микроскопии». Д. Габор изобрел голографию для электронной микроскопии . По некоторым причинам его идея не применяется в этой области микроскопии . Но изобретение голографии открыло новые возможности в изображении фазовых микрообъектов за счет применения в микроскопии методов голографической интерференции, позволяющих не только качественно, но и количественно изучать. Сочетание голографической интерференционной микроскопии с методами численной обработки решило проблему трехмерного изображения необработанного, нативного биологического фазового микрообъекта. [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» объектной волны записывается с помощью опорного луча и используется как оптический элемент голографического интерференционного микроскопа. В зависимости от условий интерференции могут быть реализованы два метода голографической интерференционной микроскопии: метод голографического фазового контраста и метод голографического интерференционного контраста. В первом случаефазовые 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.

Метод голографического фазового контраста [ править ]

Метод голографического фазового контраста - это метод голографической интерференционной микроскопии для фазовой визуализации микрообъекта, который преобразует фазовые сдвиги, вносимые микрообъектом, в волну света, прошедшую через него, в изменения интенсивности в изображении. Метод основан на голографическом сложении ( конструктивная интерференция ) или голографическом вычитании ( деструктивная интерференция ) восстановленной по голограмме «пустой» волны и объектной волны, возмущенной исследуемыми фазовыми микрообъектами. Изображение можно рассматривать как интерферограмму в интерференционных полосах бесконечной ширины.

Фазово-контрастное изображение эритроцитов крови человека, полученное сложением волн в яркой интерференционной полосе

Метод решает ту же проблему, что и метод фазового контраста Ф. Цернике . 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 максимальный контраст изображений. Размеры микротела не ограничивают применение метода, хотя метод фазового контраста Ф. Цернике работает тем успешнее, чем меньше микротел по толщине и размерам. Изображение в методе голографического фазового контраста является результатом взаимодействия двух одинаковых волн и не содержит аберраций .

Метод может быть реализован как метод голографического сложения и вычитания в интерференционной полосе . Между интерферирующими волнами вводится небольшой угол, так что период получающейся системы интерференционных полос значительно превышает размер изображений. 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 фона в случае добавления волн в яркую интерференционную полосу определяются выражениями:

;

и интенсивности на изображении микротела и интенсивности фона в случае вычитания волн в темной интерференционной полосе (волны в противофазе):

;

где - фазовый сдвиг, вносимый микротелом в прошедшую через него волну; - интенсивность каждой из двух волн. Так, темные изображения фазовых микрообъектов можно наблюдать на светлом фоне в случае сложения волн, а яркие изображения на темном фоне - в случае вычитания волн. Контрастность изображений максимальная.

Распределение интенсивности 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 вибрациям - основная предпосылка метода. Это требует проявления голограммы на своем месте. Таким образом, метод остается «экзотическим», и широко не применяется.

Голографический интерференционно-контрастный метод [ править ]

Интерферограмма крови эритроцитарных

Метод голографического интерференционного контраста - это метод голографической интерференционной микроскопии для фазовой визуализации микрообъекта, который преобразует фазовые сдвиги, вносимые микрообъектом в прошедший свет световой волны, в отклонения интерференционных полос на его изображении. Между «пустой» волной и волной, возмущенной фазовыми микротелами, вводится определенный угол, так что получается система прямых интерференционных полос, которые отклоняются на изображении микротела. Изображение можно рассматривать как интерферограмму в полосах конечной ширины. Отклонение интерференционной полосы в точке изображения линейно зависит от фазового сдвига. вставлен в соответствующую точку микротела:

,

где - заданный 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 позволяет рассчитать оптическую толщину микротела в каждой точке. Метод позволяет измерить толщину микротела, если известен его показатель преломления, или измерить его показатель преломления, если известна толщина. Если микротело имеет однородный показатель преломления распределения, можно восстановить его физическую трехмерную форму при цифровой обработке изображений. Метод может использоваться для толстых и тонких, маленьких и больших микротел. За счет равной интенсивности мешающих волн контраст изображений максимален. «Пустая» волна реконструируется по голограмме как реплика объектной волны. Таким образом, из-за интерференции одинаковых волн оптические аберрации оптической системы компенсируются, и изображения свободны от оптических аберраций .

Оба метода голографической интерференционной микроскопии могут быть реализованы в одном устройстве голографического интерференционного микроскопа, использующего оптический микроскоп во внеосевой традиционной голографической установке с опорной волной, которая является обычной для голографии , а лазер в качестве когерентного источник света и голограмма . «Пустая» объектная волна, создаваемая объективом в отсутствие исследуемых микрообъектов, записывается на голограмму с помощью опорной волны. Развитая голограммавозвращается 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 по голограмме . Период наблюдаемой интерференционной картины регулируются только по поперечному смещению голограммы от своего первоначального положения.

Основными предпосылками использования методов HIM являются когерентный шум и спекл- структура изображений, возникающая в результате использования когерентного источника 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 построения трехмерных изображений 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 [ править ]

Цифровая голографическая интерференционная микроскопия ( DHIM ) представляет собой комбинацию 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 алгоритмов .

Наиболее близким методом к цифровой голографической интерференционной микроскопии является 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.

Трехмерное изображение мазка крови местного человека

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], чтобы изучить, как озонотерапия влияет на форму эритроцитов, [14] изучить изменение трехмерной формы эритроцитов крови у пациента с серповидно-клеточной анемией, когда концентрация кислорода в крови была Снижено 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]

См. Также [ править ]

  • Цифровая голографическая микроскопия
  • Голография
  • Микроскопия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Тишко, TV, Titar В.П., Тишко, DN (2005). «Голографические методы трехмерной визуализации микроскопических фазовых объектов» .J. Опт. Технология, 72 (2): 203–209.
  2. ^ Голографическая микроскопия фазовых микроскопических объектов. Теория и практика. Татьяна Тишко, Тишко Дмитрий, Титар Владимир, World Scientific (2010). ISBN  978-981-4289-54-2
  3. ^ Тишко, TV, Тишко Д.Н., Titar В.П., «3D визуализации фазовых микрообъектовпомощью цифрового голографического метода В: Duke EH, Aquirre SR. "3D визуализации: теория, технологии и приложения", Нью - Йорк, Нью - Йорк: Nova Publishers (2010): 51–92 ISBN 978-1-60876-885-1 . 
  4. ^ Сафронов, Г.С., Тишко, Т.В. (1985). "Получение контрастных изображений фазовых микроскопических объектов суммированием волновых фронтов". Украинск. Физич. Ж. , 30 : 334–337.
  5. ^ Сафронов, Г.С., Тишко, Т.В. (1985). "Голографическая интерферометрия фазовых микроскопических объектов". Украинск. Физич. Журн. , 30 : 994–997.
  6. ↑ Сафронов, Г.С., Тишко, Т.В. (1987). «Фазоконтрастный голографический микроскоп». Приб. Tech. Эксп , 2: 249.
  7. ^ Голографические измерения Гинзбург, В.М., Степанов, Б.М., Радио и Связь, Москва, Ру, (1981).
  8. ^ Расширенный световой микроскопии по Pluta М., Elsevier, НьюЙорк, (1988).
  9. ^ 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.
  10. ^ 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., Титар, В.П., Тишко, Д.Н., Печатная. Мануфактура, Томск (Ру) (2008)
  11. ^ Тишко, Т.В., Тишко, Д.Н., Титар, В.П. Применение цифровой голографической интерференционной микроскопии для изучения трехмерной морфологии эритроцитов крови человека В: «Текущий вклад микроскопии в достижения науки и технологий» Антонио Мендес-Вилас, Исследовательский центр Formatex , 2: 729–736 (2012), ISBN 978-84-939843-5-9 . 
  12. ^ Тишко, TV, Titar В.П., Тишко Д.Н., Носова, К. (2008) «Цифровой голографический интерференционный микроскопия в изучении 3D морфологии и функциональныхэритроцитов крови человека»,. Лазерная физика , 18 (4): 1-5 .
  13. ^ Тишко, TVTishko, DN, Titar, VP. (2009) "Визуализация клеток крови голографическим методом", Визуализация и микроскопия , 2: 46–49.
  14. ^ . Тишко, TV, Titar В.П., Barchotkina, ТМ, Тишко Д.Н. (2004) «Применение голографического интерференционного микроскопа для исследования влияния озонотерапии на крови эритроцитов больных в естественных условиях» SPIE , 5582: 119-123
  15. ^ Тишко, TV, Titar В.П., Тишко, DN (2008). «Трехмерная морфология эритроцитов крови методом цифровой голографической интерференционной микроскопии», SPIE , 7006: 70060O-70060O-9.
  16. ^ Тишко, Д. Н., Тишко, Т. В., Титар, В. П. (2009). "Использование цифровой голографической микроскопии для исследования прозрачных тонких пленок". J. Opt. Технол , 76 (3): 147–149.
  17. ^ 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.
  18. ^ Тишко, Т.В., Тишко, Д.Н., Титар, В.П (2012). «Сочетание методов поляризационно-контрастного и интерференционного контраста для трехмерной визуализации анизотропных микрообъектов». J. Opt. Технол , 79 (6): 340–343.