|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Фазовый контраст |
 | |
Анимация
Описание
Метод фазового контраста, разработанный в 1935 г. Ф. Цернике, является одним из наиболее мощных методов получения микроскопического изображения от тонких прозрачных (то есть чисто фазовых) объектов. Трудность получения изображения фазового объекта в микроскопе состоит в том, что он практически не вносит искажений в распределение интенсивности пучка подсветки (модулируется только фаза прошедшего через объект пучка) - таким образом, изображение его попросту не видно, поскольку глаз, да и другие средства регистрации, реагируют на интенсивность, а не фазу излучения. Скелетная схема реализации предложенного Цернике метода визуализации такого фазового объекта представлена на рис. 1.
Скелетная схема визуализации объекта методом фазового контраста
Рис. 1
Тонкий (дополнительный набег фазы излучения в нем существенно меньше радиана) фазовый объект О изображается микроскопическим объективом, давая действительное изображение IM. При этом в фокальную плоскость F объектива вводится перекрывающая малую приосевую часть этой плоскости т.н. “фазовая пластинка” PP. Это однородный по поперечному сечению объект малой толщины, дающий дополнительный набег фазы p/2 или 3p/2 излучения, проходящего через него. Реально это, как правило, “пятачок” диэлектрической напыленной пленки подходящей толщины на стекляннной подложке. Собственно, только этим “пятачком” описанное устройство и отличается от обычного микроскопа, в котором наш фазовый объект попросту не виден.
Однако оказывается, что в описанном устройстве изображение оказывается не фазовым, а амплитудным, то есть вполне видимым обычным глазом. Более того, локальная яркость полученного изображения оказывается прямо пропорциональна набегу фазы излучения, прошедшего через данный участок объекта (то есть произведению локальной толщины объекта на показатель его преломления). Чтобы понять, почему это происходит, рассмотрим процесс формирования изображения с точки зрения дифракции излучения на объекте, см. рис. 2.
Дифракционная интерпретация формированя изображения
Рис. 2
С этой точки зрения процесс состоит в следующем. Во-первых, прошедшее через объект излучение “разваливается ” на плоские волны, комплексные амплитуды которых Сq (то есть амплитуды и фазы “в одном флаконе”) являются ни чем иным, как Фурье-компонентами двумерного пространственного распределения комплексной амплитуды прошедшего через объект пучка.
. (1)
Здесь Е - комплексная амплитуда прошедшей волны;
- поперечный к оси системы двумерный радиус-вектор.
Эти волны расходятся в пространстве под углами к оси системы, соответствующими значению двумерного волнового числа q соответствующей Фурье-компоненты Сq, sinqq=lq/2p. Далее, после прохождения через линзу, плоская волна, соответствующая индивидуальной Фурье-компоненте, собирается, в геометрооптическом приближении, в точку в фокальной плоскости линзы, отстоящую на расстояние fqq от оптической оси системы. При дальнейшем распространении эти индивидуальные волны опять собираются в общую апертуру в некотором сечении, одновременно увеличивая поперечный размер. Это сечение и будет плоскостью изображения.
Таким образом, процесс можно интерпретировать как: во-первых, преобразование Фурье излучения на выходе из объекта, результат которого мы имеем в фокальной плоскости; во-вторых, обратное преобразование Фурье с масштабированием (волновые числа компонент Сq после линзы приобретают новое, уменьшенное значение q'=q/Г, где Г - геометрооптическое увеличение, поскольку sinq/sinq'=Г (см. рис. 2)) при распространении от фокальной плоскости до плоскости изображения. Совокупность этих двух стадий и приводит, с волновой точки зрения, к формированию действительного изображения объективом.
Значит, с точностью до увеличения, изображение представляет собой результат суммирования тех же самых Фурье-компонент, на которые “распался” пучок на выходе из объекта. При освещении объекта параллельным пучком монохроматического света распределение комплексной амплитуды на выходе из объекта есть ни что иное как его комплексный коэффициент пропускания:
.
Последнее приближенное равенство написано исходя из исходного допущения о малости фазового набега j в образце. Более того, в силу произвольности выбора нуля отсчета фазы, мы для простоты положим, что среднее значение j по поперечному сечению равно нулю.
Тогда 
не имеет нулевой Фурье-компоненты, и нулевая Фурье-компонента поля на выходе из объекта есть просто единица (домноженная, естественно, на амплитуду падающей плоской волны, чего мы не делаем за несущественностью этой амплитуды - она определяет только среднюю яркость получившегося изображения). Поэтому поле в плоскости изображения есть просто опять-таки:
(2)
Здесь Г - геометрооптическое увеличение изображения.
Таким образом, изображение чисто фазового объекта, как и было сказано выше, не имеет амплитудной модуляции интенсивности, то есть, в переводе с научного на русский, его не видно.
Допустим теперь однако, что в процессе распространения через систему нулевая Фурье-компонента, и только она одна из всех компонент, приобретает дополнительный амплитудно-фазовый множитель aexp(ia), a<1. Именно это и происходит при внесении в фокальную плоскость объектива фазовой пластинки, как это описано выше, причем а - ее амплитудный коэффициент пропускания, а a - набег фазы излучения в ней.
В таком случае поле и интенсивность в плоскости изображения имеют вид:
(3)
То есть интенсивность изображения оказывается модулированной пропорционально локальному значению фазового набега, фазовое изображение “превращается в амплитудное”. При этом внесение дополнительных потерь а способствует увеличению контраста изображения, подавляя пространственно-однородную часть квадратично, а неоднородную - линейно по а. На практике обычно реализуют, как и было сказано выше, a=p/2 (“позитивное”) или a=3p/2 (“негативное”) изображение фазового распределения объекта.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Приборы для измерения оптических и светотехнических величин и характеристикАппаратура для оптической связи в свободном пространстве
Аппаратура для световодной связи
Технологии, использующие голографию
Применение эффекта
Метод фазового контраста широко используется для визуализации изображений микроскопических фазовых объектов в биологии и медицине (тонкие срезы эпителиальных тканей, растительные клеточные мембраны и т.п.), а также в кристаллографии и минералогии (мелкодисперсные кристаллиты).
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Техническая реализация эффекта достаточно затруднительна, поскольку требуются во-первых, препараты фазовых объектов микронной толщины, во-вторых, точно позиционированный и центрированные фазовые пластинки. Лучше всего воспользоваться стандартным микроскопом, оборудованным системой наблюдения методом фазового контраста (то есть имеющим револьверный держатель с готовой фазовой пластинкой). В качестве препарата можно использовать мелко толченые частицы стекла, имерсированные глицерином. При этом в отсутствие фазовой пластинки изображения нет, а при ее введении получается отчетливое изображение отдельных крупинок толченого стекла.
Литература
1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1985.
2. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976.
3. Физика. Большой энциклопедический словарь. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - С. 90, 460.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |