, Ю. Н. ЗАХАРОВ,
,
Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского
Регистрация изменений оптической толщины живых клеточных структур с помощью цифровых внеосевых голограмм
Рассмотрен метод регистрации изменений оптической толщины живых клеточных структур с помощью цифровых внеосевых голограмм. Алгоритм восстановления голограмм основан на выполнении прямого и обратного преобразований Фурье с фильтрацией в частотной плоскости. Данный метод применен для регистрации изменений оптических свойств глиальных и нейрональных клеточных структур, для которых были получены распределения фазового набега.
Исследование жизнедеятельности клеточных структур представляет большой интерес в медицине и биологии. Для изучения таких микрообъектов необходимы методы, минимально воздействующие на исследуемый объект. Более того, большинство клеток являются рассевающими и малоконтрастными, что еще более затрудняет их исследование, так как в распределении интенсивности света, прошедшего через объект, содержится мало информации. Следовательно, методы, при минимальном воздействии на клеточную структуру, должны позволять регистрировать фазовый набег излучения, прошедшего через объект, а также позволять получать трехмерные изображения изучаемого препарата. Этим требованиям удовлетворяют методы цифровой голографии.
В ходе выполнения работы было создано несколько приложений, позволяющих на основе записанных голограмм получать распределения фазового набега объектной волны. Обработка цифровых голограмм в данной работе проводилась в несколько этапов.
Первым этапом является восстановление цифровой голограммы. Для этого применялся алгоритм, основанный на выполнении фильтрации спектра голограммы. Сначала выполнялось прямое преобразование Фурье от распределения интенсивности, соответствующего голограмме. Нетрудно показать, что при выборе соответствующего угла схождения и линейной регистрации спектр внеосевой голограммы состоит из 3 локализованных в разных областях слагаемых, одно из которых содержит в себе Фурье-образ комплексной амплитуды объектной волны. Затем проводилась фильтрация спектра, основанная на локализации его слагаемых в разных областях. После этого выполнялось обратное преобразование Фурье над фильтрованным спектром, что позволяет получить комплексную амплитуду объектной волны.
Вторым этапом является устранение постоянных фазовых набегов, вносимых оптическими элементами в восстановленное распределение комплексной амплитуды объектной волны. Для этого необходимо зарегистрировать голограмму, содержащую в себе только лишь эти паразитные фазовые набеги, для чего из оптической установки извлекался объект, и снова регистрировалась голограмма, которую обозначим как H2. В результате восстановления H2 можно получить комплексную амплитуду, содержащую постоянные паразитные фазовые набеги. Далее, производится расчет фазы для каждого полученного распределения комплексной амплитуды, одно из которых соответствует голограмме, записанной при наличии объекта в схеме (обозначим ее H1), а другое – при его отсутствии. Затем, из полученного распределения фазы, соответствующего голограмме H1 необходимо произвести вычитание фазового распределения, соответствующего H2, посредством чего и происходит устранение паразитных фазовых набегов.
Описанный метод был применен для регистрации изменений оптической толщины живых нейрональных клеточных структур. Результаты представлены на рис. 1.
|
Рис. 1. Оптическая толщина нейрональной клеточной структуры |
Список литературы
1. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография, М.: Мир, 1973.
2. Kim M. K. Principles and techniques of digital holographic microscopy. SPIE Rewiews. V.
3. Марпл-мл. спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. С.53-57.
