Голографическая интерференционная микроскопия

Голографическая интерференционная микроскопия ( ГИМ ) — голографическая интерферометрия, применяемая в микроскопии для визуализации фазовых микрообъектов. Фазовые микрообъекты невидимы, поскольку они не меняют интенсивность света, а лишь вносят невидимые фазовые сдвиги. Голографическая интерференционная микроскопия отличается от других методов микроскопии использованием голограммы и интерференции для преобразования невидимых фазовых сдвигов в изменения интенсивности .

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

Методы голографической интерференционной микроскопии

Голография родилась как «новый принцип микроскопии». Д. Габор изобрел голографию для электронной микроскопии . По ряду причин его идея не нашла применения в этой области микроскопии . Но изобретение голографии открыло новые возможности в визуализации фазовых микрообъектов благодаря применению в микроскопии голографических интерференционных методов, позволяющих проводить не только качественные, но и количественные исследования. Сочетание голографической интерференционной микроскопии с методами численной обработки позволило решить проблему трехмерного изображения необработанного микрообъекта нативной биологической фазы. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

В голографическом интерференционном методе изображения возникают в результате интерференции двух объектных волн, прошедших один и тот же путь через оптическую систему микроскопа, но в разные моменты времени: восстановленной из голограммы «пустой» объектной волны и объектной волны возмущенной. по фазовым микрообъектам исследования. Голограмма «пустой» объектной волны регистрируется с помощью опорного луча и используется в качестве оптического элемента 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 случае фазовые сдвиги, вносимые фазовым микрообъектом в проходящую через него световую волну, преобразуются в изменения интенсивности его изображения; а во втором случае – в отклонения интерференционных полос.

Голографический фазово-контрастный метод

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

Метод решает ту же задачу, что и метод фазового контраста Ф. Цернике . Но по сравнению с методом фазового контраста Ф. Цернике метод имеет некоторые преимущества. Благодаря равным интенсивностям интерферирующих волн голографический метод фазового контраста позволяет получить максимальный контраст изображений. Размеры микрообъекта не ограничивают применение метода, хотя метод фазового контраста Ф. Цернике работает тем успешнее, чем меньше микрообъект по толщине и размерам. Изображение в голографическом методе фазового контраста является результатом взаимодействия двух одинаковых волн и лишено аберраций .

Метод может быть реализован как метод голографического сложения и вычитания в интерференционной полосе . Между интерферирующими волнами вводится небольшой угол, так что период результирующей системы интерференционных полос существенно превышает размер изображений. Условия противофазности или синфазности волн (голографическое вычитание или сложение) автоматически создаются в пределах темной и яркой интерференционной полосы соответственно.

Интенсивность изображения микрообъекта $I_{im+}$ и интенсивность фона $I_{b+}$ в случае сложения волн в яркой интерференционной полосе определяются выражениями:

$I_{im+}(x',y')=2I_{0}[1+cosf(x,y)]$ ; $I_{b+}=4I_{0}$

и интенсивности изображения микрообъекта $I_{im-}$ и интенсивность фона $I_{b-}$ в случае вычитания волн в темной интерференционной полосе (волны противофазны):

$I_{im-}(x',y')=2I_{0}[1-cosf(x,y)]$ ; $I_{b-}=0$

где $f(x,y)$ – фазовый сдвиг, вносимый микрообъектом в прошедшую через него волну; $I_{0}$ — 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. Контраст изображений максимальный.

Распределение интенсивности на изображениях зависит от фазовых сдвигов, вносимых исследуемыми микрообъектами. Так, метод позволяет измерять фазовые сдвиги, а трехмерные изображения фазовых микрообъектов восстанавливать при компьютерной обработке их фазоконтрастных изображений.

Высокая чувствительность к вибрациям является основной предпосылкой метода. Это требует проявления голограммы на своем месте. Таким образом, метод остается «экзотическим» и не получил широкого распространения.

Голографический интерференционно-контрастный метод

Голографический интерференционно-контрастный метод — метод голографической интерференционной микроскопии для фазовой визуализации микрообъекта, преобразующий фазовые сдвиги, вносимые микрообъектом в прошедшую световую волну света, в отклонения интерференционных полос на его изображении. и волной, возмущенной фазовыми микрообъектами, вводится определенный угол Между «пустой» волной , в результате чего получается система прямых интерференционных полос, отклоняющихся на изображении микрообъекта. Изображение можно рассматривать как интерферограмму в полосах конечной ширины. Отклонение $h(x',y')$ интерференционной полосы в точке изображения линейно зависит от фазового сдвига $f(x,y)$ вставляется в соответствующую точку микрообъекта:

$h(x',y')=f(x,y)T/2\pi$ ,

где $T$ – заданный период системы интерференционных полос. Так, интерференционно-контрастное изображение ( интерферограмма ) визуализирует фазовый силуэт микрообъекта в виде отклоненных линий; а фазовые сдвиги можно измерить просто «линейкой». Это позволяет рассчитать оптическую толщину микрообъекта в каждой точке. Метод позволяет измерить толщину микрообъекта, если известен его показатель преломления , или измерить его показатель преломления, если известна толщина. Если микрообъект имеет однородное распределение показателя преломления , то при цифровой обработке изображений можно восстановить его физическую трехмерную форму.

Метод можно использовать для толстых и тонких, мелких и крупных микрообъектов. Благодаря равным интенсивностям интерферирующих волн контрастность изображений максимальна. «Пустая» волна, восстановленная по голограмме, является копией объектной волны. Таким образом, за счет интерференции одинаковых волн оптические аберрации оптической системы компенсируются, и изображение освобождается от оптических аберраций.

Оба метода голографической интерференционной микроскопии могут быть реализованы в одном устройстве: голографический интерференционный микроскоп использует оптический микроскоп во внеосевой традиционной голографической установке, с обычной для голографии опорной волной - лазера. лазером в качестве когерентного источник света и голограмма. «Пустая» предметная волна, создаваемая объективом в отсутствие исследуемых микрообъектов, записывается на голограмму с помощью опорной волны. Проявленная голограмма возвращается в исходное положение и работает как неподвижный оптический элемент голографического интерференционного микроскопа. Изображения появляются при одновременном наблюдении за реальной объектной волной, возмущенной микрообъектом, и «пустой» объектной волной, восстановленной по голограмме. Период . наблюдаемой интерференционной картины регулируется просто поперечным смещением голограммы от ее исходного положения

Основной основой методов HIM являются когерентный шум и спекл- структура изображений, возникающая в результате использования когерентного источника света.

В 1980-е годы были разработаны и применены для исследования фазовых микрообъектов методы голографической интерференционной микроскопии. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

В конце 1990-х годов для трехмерного изображения фазовых микрообъектов по их интерферограммам стали использовать компьютер. Впервые 3D-изображения были получены при исследовании эритроцитов крови. ^{[ 9 ]} С начала XXI века голографическая интерференционная микроскопия превратилась в цифровую голографическую интерференционную микроскопию.

Цифровая голографическая интерференционная микроскопия

Цифровая голографическая интерференционная микроскопия ( ЦГИМ ) представляет собой сочетание голографической интерференционной микроскопии с цифровыми методами обработки изображений для получения 3D-изображений фазовых микрообъектов. Голографические фазоконтрастные или интерференционно-контрастные изображения (интерферограммы) записываются цифровой камерой, с помощью которой компьютер реконструирует трехмерные изображения с помощью числовых алгоритмов .

Наиболее близким к цифровой голографической интерференционной микроскопии методом 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 является более «оптическим» методом. Это делает этот метод более очевидным и точным, в нем используются понятные и простые численные алгоритмы. Цифровая голографическая микроскопия является более «цифровым» методом. Это не так очевидно; применение сложных приближенных численных алгоритмов не позволяет достичь оптической точности.

Цифровая голографическая интерференционная микроскопия позволяет получать 3D-изображения и неинвазивное количественное исследование биомедицинских микрообъектов, таких как клетки организма. Метод успешно применяется для изучения 3D-морфологии эритроцитов крови при различных заболеваниях; ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} изучить, как озонотерапия влияет на форму эритроцитов, ^{[ 14 ]} изучить изменение объемной формы эритроцитов крови у больного серповидноклеточной 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 получения 3D-изображений их поверхностей для контроля качества. ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}

См. также

Ссылки

^ Тишко, ТВ, Титар, ВП, Тишко, Д.Н.(2005). «Голографические методы трехмерной визуализации микроскопических фазовых объектов». Опция Technol., 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., Титар В.П., «3D визуализация фазовых микроскопических объектов цифровым голографическим методом» В: Duke EH, Aquirre SR. «3D-изображение: теория, технология и применение», Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Nova Publishers (2010): 51–92. ISBN 978-1-60876-885-1 .
^ Сафронов Г.С., Тишко Т.В. (1985). «Получение контрастных изображений фазовых микроскопических объектов путем суммирования волновых фронтов». Украинск. Физич. Ж. , 30 :334–337(на русском языке)
^ Сафронов Г.С., Тишко Т.В. (1985). «Голографическая интерферометрия фазовых микроскопических объектов». Украинск. Физич. Ж. , 30 :994–997.
^ Сафронов Г.С., Тишко Т.В. (1987). «Фазово-контрастный голографический микроскоп». Приб. Тех. Эксп , 2:249.
^ Голографические измерения В.М. Гинзбурга, Б.М. Степанова, Радио и Связь, Москва, Ру. (1981).
^ Передовая световая микроскопия Плуты М., Эльзевир, Нью-Йорк (1988).
^ Тишко Т.В., Титар В.П., Панфилов Д.А., Тишко Д.Н. (1998). "Применение метода голографической интерферометрии для определения формы эритроцитов крови человека". Вестн. Харк.Нац. ун-т, сер биол. Вестник. , 2 (1): 107–111 (на русском языке).
^ Theory and practice of erythrocyte microscopy by Novitsky, V.V., Ryazantzeva, N.V., Stepovaya, E.A., Shevtzova, N.M., Miller, A.A., Zaitzev, B.N., Tishko, T.V., Titar, V.P., Tishko, D.N., Pechatnaya . Manufactura, Tomsk (Ru) (2008)
^ Тишко, Т.В., Тишко, Д.Н., Титар, В.П. Применение цифровой голографической интерференционной микроскопии для изучения трехмерной морфологии эритроцитов крови человека. В: «Современный 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., Титар В.П., Тишко Д.Н., Носов К.В. (2008). «Цифровая голографическая интерференционная микроскопия в исследовании 3D-морфологии и функциональности эритроцитов крови человека», Лазерная физика , 18 (4):1–5 .
^ Тишко, Т.В. Тишко, Д.Н., Титар, В.П. (2009) «Визуализация клеток крови голографическим методом», Визуализация и микроскопия , 2:46–49.
^ Тишко Т.В., Титар 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, ТВ, Титар, ВП, Тишко, Д.Н. (2008). «3D морфология эритроцитов крови методом цифровой голографической интерференционной микроскопии», SPIE , 7006:70060О-70060О-9.
^ Тишко Д.Н., Тишко Т.В., Титар, В.П. (2009). «Использование цифровой голографической микроскопии для изучения прозрачных тонких пленок». J. Опт. Технол , 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., Титар В.П. (2012). «Совмещение поляризационно-контрастного и интерференционно-контрастного методов для трехмерной визуализации анизотропных микрообъектов». J. Опт. Технол , 79 (6): 340–343.

[1] Тишко, ТВ, Титар, ВП, Тишко, Д.Н.(2005). «Голографические методы трехмерной визуализации микроскопических фазовых объектов». Опция Technol., 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 Т.В., Тишко Д.Н., Титар В.П., «3D визуализация фазовых микроскопических объектов цифровым голографическим методом» В: Duke EH, Aquirre SR. «3D-изображение: теория, технология и применение», Нью-Йорк, штат 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 путем суммирования волновых фронтов». Украинск. Физич. Ж. , 30 :334–337(на русском языке)

[5] Сафронов Г.С., Тишко Т.В. (1985). «Голографическая интерферометрия фазовых микроскопических объектов». Украинск. Физич. Ж. , 30 :994–997.

[6] Сафронов Г.С., Тишко Т.В. (1987). «Фазово-контрастный голографический микроскоп». Приб. Тех. Эксп , 2:249.

[7] Голографические измерения В.М. Гинзбурга, Б.М. Степанова, Радио и Связь, Москва, Ру. (1981).

[8] Передовая световая микроскопия Плуты М., Эльзевир, Нью-Йорк (1988).

[9] Тишко Т.В., Титар В.П., Панфилов Д.А., Тишко Д.Н. (1998). "Применение метода голографической интерферометрии для определения формы эритроцитов крови человека". Вестн. Харк.Нац. ун-т, сер биол. Вестник. , 2 (1): 107–111 (на русском языке).

[10] Theory and practice of erythrocyte microscopy by Novitsky, V.V., Ryazantzeva, N.V., Stepovaya, E.A., Shevtzova, N.M., Miller, A.A., Zaitzev, B.N., Tishko, T.V., Titar, V.P., Tishko, D.N., Pechatnaya . Manufactura, Tomsk (Ru) (2008)

[11] Тишко, Т.В., Тишко, Д.Н., Титар, В.П. Применение цифровой голографической интерференционной микроскопии для изучения трехмерной морфологии эритроцитов крови человека. В: «Современный вклад микроскопии в достижения науки и техники», Антонио Мендес-Вилас, Исследовательский центр Formatex. , 2:729–736(2012), ISBN 978-84-939843-5-9 .

[12] Тишко Т.В., Титар В.П., Тишко Д.Н., Носов К.В. (2008). «Цифровая голографическая интерференционная микроскопия в исследовании 3D-морфологии и функциональности эритроцитов крови человека», Лазерная физика , 18 (4):1–5 .

[13] Тишко, Т.В. Тишко, Д.Н., Титар, В.П. (2009) «Визуализация клеток крови голографическим методом», Визуализация и микроскопия , 2:46–49.

[14] Тишко Т.В., Титар 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

[15] Тишко, ТВ, Титар, ВП, Тишко, Д.Н. (2008). «3D морфология эритроцитов крови методом цифровой голографической интерференционной микроскопии», SPIE , 7006:70060О-70060О-9.

[16] Тишко Д.Н., Тишко Т.В., Титар, В.П. (2009). «Использование цифровой голографической микроскопии для изучения прозрачных тонких пленок». J. Опт. 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). «Совмещение поляризационно-контрастного и интерференционно-контрастного методов для трехмерной визуализации анизотропных микрообъектов». J. Опт. Технол , 79 (6): 340–343.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]