Локальная оптическая томография по дифференциальным проекциям

Внедрение: 2018 г.

В статье [1] специалистов ВНИИОФИ описывается получение локальной томографии по дифференциальным (differential interference contrast – DIC) проекциям для оптических исследований внутренней структуры прозрачных объектов. Преимущество локальной томографии состоит в том, что она дает возможность быстрого вычисления искомого распределения в интересующей точке или области без проведения полной реконструкции всего сечения. Для получения количественных DIC-проекций разработан томографический микроскоп с интерферометром поперечного сдвига, в котором реализован метод фазовых шагов для восстановления фазы. Предложена процедура нормализации проекционных данных по геометрическим моментам от DIC-проекций. Приведены результаты реконструкции томограммы шарика из диоксида кремния по его экспериментальным DIC-проекциям. Сравнение результатов моделирования с результатами эксперимента показало их хорошее сходство.

Для проведения экспериментальных исследований метода локальной оптической томографии использовался оптический фазовый микротомограф на базе микроскопа проходящего типа с интерферометром бокового сдвига, оптическая схема которого представлена на рисунке 1.
 

Рисунок 1. Схема локального интерференционного томографического микроскопа: pLED – точечный светодиод; СL – коллимирующий объектив; GM – гальваническое зеркало; L1, L2 – линзы; О1, О2 – микрообъективы; F1, F2 – фурье-объективы; BS – светоделительный кубик; М1 – зеркало; М2 – зеркало на пьезоприводе; CCD – КМОП-камера; Inset 1, 2 – вставки 1, 2; Probing direction – направление зондирования; Shearing direction – направление сдвига.

Восстановление фазовых изображений производится методом интерферометрии фазовых шагов по алгоритму Харихарана-Швайдера. Для его реализации необходимо изменять оптическую длину пути одного из интерферирующих пучков, что в данном приборе достигается непрерывным смещением зеркала М2 вдоль направления оптической оси. Это зеркало закреплено на многослойном пьезоактюаторе АПМ‑2‑7, состоящем из семи керамических блоков материала ЦТС‑46 (”ЭЛПА“, Зеленоград), с помощью которого обеспечивается максимальное перемещение 14 мкм при напряжении 100 В. Для регистрации сдвиговых интерферограмм использовалась монохромная КМОП-камера IDS UI‑3140CP‑M‑GL (IDS GmbH, Германия). Синхронизация и управление гальваническим зеркалом, пьезоактюатором и КМОП-камерой осуществлялись от персонального компьютера с помощью платы преобразователя L‑502.

Рисунок 2. Результат эксперимента с шариком из диоксида кремния диаметром 5 мкм, серая шкала в безразмерных единицах: а, б – 2D‑DIC-проекция и ее сечение вдоль горизонтальной прямой как 1D‑DIC-проекция; в, г – суммарное изображение из DIC-проекций и его сечение вдоль горизонтальной прямой; д, е – томограмма, полученная обратным гильберт-преобразованием суммарного изображения, и ее сечение вдоль горизонтальной прямой.

Описанный и исследованный в настоящей работе томографический микроскоп может быть использован для исследования внутренней структуры различных прозрачных объектов, в том числе изделий, изготовленных методами аддитивных технологий из кварцевого стекла или прозрачного полимера. В дальнейшем предполагается также использовать методы локальной томографии для исследования динамических процессов внутри живых клеток. Эти процессы могут быть вызваны пространственным смещением отдельных органелл клетки, а также изменением пространственного распределения показателя преломления внутри клетки, обусловленного синтезом белка в клетках, их делением, воздействием внеклеточных факторов различной природы. Локальная томография позволяет оценить динамику изменения сухой массы клеток, плотности сухой массы, цитоплазматического объема, сферичности и локальных вязкоупругих свойств цитоплазмы исследуемых живых объектов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14.625.21.0041 от 26.09.2017 г. (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI62517X0041). Часть исследований выполнена с привлечением оборудования Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий (ЦКП МФТИ).

Источник:
Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л., Ермаков М.М. Исследование метода локальной оптической томографии по дифференциальным проекциям // Оптика и спектроскопия. – 2018. – Том 125, вып. 6. – С. 864‑872.

Разработчик: Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л., Ермаков М.М (Всероссийский НИИ оптико-физических измерений, Москва)