книги из ГПНТБ / Иваницкий Г.Р. Исследование микроструктуры объектов методами когерентной оптики

535

И 19

УДК 535.82

Щ - Ы Р &

Гос. публичная

ЭКЗЕМ ПЛЯР

— ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

Иваницкий Г. Р. и Куниский А. С.

И 19 Исследование микроструктуры объектов метода­ ми когерентной оптики. М., «Энергия», 1974.

144 с. с ил.

Кинга посвящена методам количественной оценки микроструктуры объектов (биологическая ткань, металл, строительные материалы н т. д.) на основе использования когерентной оптики и голографии. Существенную часть книги составляет описание методов малоуглового светорассеяния и двумерной согласованной фильтрации. Последняя позволяет автоматически обнаруживать и выделять компоненты струн* тур, подлежащие выборочному анализу на сложном шумовом фоне. Приводится описание технической реализации новых способов иссле­ дования с использованием оптических квантовых генераторов и мето­ дов голографии.

21005-282

БЗ-75-5-73 535

051(01)-74

© Издательство «Энергия», 1974 г.

Г л а в а п е р в а я

ВВЕДЕНИЕ

1. МИКРОСТРУКТУРА ОБЪЕКТОВ

Приступая к изложению когерентных оптических ме­ тодов, используемых при исследовании микроструктуры объектов, оговорим, что следует понимать под термина­ ми микроструктура объектов и когерентные оптические методы. Начнем с определения первого термина.

Объектами будем называть объемные тела, состоя­ щие из функциональных элементов, геометрические па­ раметры которых могут быть измерены с помощью опти­ ческого микроскопа. Современный оптический микроскоп обладает разрешением порядка У2, где К— длина вол­ ны света, используемого для освещения препарата. Дли­ ны волн видимой части электромагнитного спектра ле­ жат в пределах от 0,4 до 0,76 мкм. Таким образом, ниж­ ний размерный предел функциональных элементов со­ ставляет 0,2—0,3 мкм. Ограничение сверху определяется тем, что для изучения объектов, состоящих нз функцио­ нальных элементов, линейные размеры которых превы­ шают примерно 1 мм, не требуется наличие микроскопа.

Жесткое установление размерных границ, наклады­ ваемых на составляющие объект функциональные эле­ менты, в ряде случаев не является принципиальным. Это будет видно из дальнейшего изложения.

В указанном размерном диапазоне находится значи­ тельное количество объектов, которыми интересуются самые различные специалисты. Такого типа объекты существуют в живой и неживой природе, образуются в разнообразных производственных процессах.

Весьма обширной является группа биологических объектов, к которым относятся все ткани, из которых со­ стоят живые существа и растения. Функциональными элементами в этом случае являются клетки, формирую­ щие ткань.

5

Сплавы металлов, бетой, керамика — это другой об­ ширный класс объектов, создаваемых в результате про­ изводственных процессов. Функциональными элемента­ ми, например, для сплава будут микрочастицы его ком­ понентов.

Поры также можно отнести к своеобразному виду функциональных элементов. Например, знание размера и вида пор в почве представляет большой интерес для специалистов по гидрологии и нефтедобывающей про­ мышленности. Пористость является одной из главных характеристик строительных материалов.

Из приведенных выше примеров становится ясным, что мы понимаем под термином функциональные эле­ менты объекта. Это элементы, от совокупности которых зависят разнообразные физические параметры, харак­ теризующие объект, например прочность, твердость, теплопроводность, водо- и газопроницаемость, морозо­ стойкость и т. д. Для объектов живой природы функцио­ нальные элементы определяют также динамические свойства ткани — ее развитие, рост, обмен веществ.

При изучении объектов важно знать не только но­ менклатуру и количественные параметры функциональ­ ных элементов, но и их взаимное расположение в про­ странстве, т. е. микроструктуру объектов.

Очевидно, что микроструктура объекта трехмерна. Общая идея исследования обычно состоит в том, что изучение трехмерного объекта тем или иным способом сводится к последовательному анализу плоских сечении. Новое направление прикладной математики — стереоло­ гия— занимается разработкой математического аппара­ та для этих исследований [Л. 60, 87, 88, 112, 1-25, 130, 131].

Таким образом, возникают две задачи:

1)расчленить объект на плоские срезы;

2)идентифицировать отдельные функциональные эле­

менты.2

2. ПОЛУЧЕНИЕ ПЛОСКИХ СЕЧЕНИЙ ОБЪЕКТА

Плоские сечения для изучения микроструктуры объ­ емного объекта могут быть получены как механическим, так и оптическим путем. С помощью специальных устройств (микротомов или абразивных дисков) объект разрезают на пластины, толщина которых невелика.

6

Другой вариант получения сечении состоит в исполь­ зовании ограниченной глубины фокуса микроскопа. Фо­ кусировка на различные слои объекта позволяет после­ довательно получать его оптические сечения12.

Если исследование отдельных оптических сечений проводится совместно с механическим нарезанием, то допускаются срезы значительной толщины. Однако не­ обходимо, чтобы срез объекта хотя бы частично пропу­ скал свет.

Изображение плоских сечений, полученных таким об­ разом, исследуется либо визуально, либо с помощью электронно-оптических систем [Л. 27]. Как правило, ди­ скретно анализируются фрагменты разрезанных функ­ циональных элементов, составляющих микроструктуру объекта. Затем по специальным формулам делается пе­ ресчет параметров плоских сечений на величины, харак­ теризующие трехмерный объект [Л. 29].

Прочность связи между функциональными элемента­ ми в трехмерном объекте может быть различной: в твер­ дых телах неорганического происхождения она — наи­ большая; в биологических тканях — наименьшая. Су­ ществуют объекты, например кровь, где функциональ­ ные элементы (эритроциты, тромбоциты, лейкоциты) пространственно не связаны. В этом случае исследуются параметры функциональных элементов в мазке или взве­ сях 2. Такие функциональные элементы называют микро­ объектами.

3. МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Операцией, предшествующей проведению анализа, должен быть поиск функциональных элементов (микро­ объектов), представляющих предмет исследования. В ряде случаев такая идентификация является основной задачей анализа. Трудности автоматизации подобной операции во многом тормозят развитие автоматических методов в микроскопии.

1 Сравнительно недавно было предложено решение обратной за­ дачи, основанное на преодолении ограниченной глубины фокуса микроскопа с использованием кодирования изображений отдельных оптических сечений с помощью дифракционной решетки. (Л . 83].

2 Существуют специальные методики разрушения микрострукту­ ры объектов (ультразвуком, химическим воздействием), которые позволяют выделить группы функциональных элементов.

7

Естественно, что результатом должно стать выявле­ ние различий в характеристиках исследуемого микро­ объекта и сопровождающего его фона. Осуществляя анализ этих различий, можно произвести обнаружение мнкрообъекта. Поскольку в оптико-электронных систе­ мах для исследования микрообъектов анализируются электромагнитные колебания светового диапазона, про­ шедшие сквозь препарат, констатация различии может осуществляться па основании изменении амплитуды, фа­ зы п частоты электромагнитных колебаний, а также из­ менений плоскости поляризации.

Если комплексная напряженность электрического по­ ля плоской волны, распространяющейся вдоль оси z, описывается выражением

где А0 и 11о — действительные числа, характеризующие амплитуду и фазу волны, то после взаимодействия с препаратом напряженность электрического поля ока­ зывается модулированной в пространстве в общем слу­ чае по амплитуде, фазе и частоте

* )= А (х , /А 2) ехр/г|(л', у, г) ехр /ю (х, y)t.

(2)

Может изменяться также положение плоскости поля­ ризации. Параметры модуляции на участках, соответст­ вующих объекту и фону, должны различаться настолько, чтобы детектирующее устройство могло обнаружить эти различия.

Уменьшение амплитуды световой волны связано с аб­ сорбционными (поглощающими) свойствами веществ мнкрообъекта. Измерение в проходящем свете различий в поглощении различных участков препарата позволяет произвести выделение определенных компонентов струк­ туры, содержащих вещества, поглощение которых от­ лично от поглощения других веществ, составляющих фон. Увеличение этого эффекта можно получить при ис­ пользовании различных химических методов окрашива­ ния.

В случаях, когда при анализе живых структур окра­ шивание вносит нежелательные изменения, используется эффект избирательного поглощения компонентами клет­ ки излучения с различной длиной волны [Л. 33].

8

Дефазирующие свойства объекта определяются отличнем показателя преломления вещества мпкрообъекта от показателя преломления окружающей среды. Однако существующие светоприемники (фотоматериалы, фото­ электрические преобразователи и пр.) реагируют лишь на изменения интенсивности и не регистрируют фазовых изменений.

Поэтому при трансформации лучистой энергии ин­ формация о фазе сигнала оказывается полностью утра­ ченной. В методе фазового контраста |[Л. 69], наиболее распространенном для идентификации фазовых объек­ тов, т. е. объектов, изменяющих фазу и ие изменяющих амплитуду излучения, преобразование фазовой модуля­ ции световой волны, прошедшей препарат, в амплитуд­ ную модуляцию осуществляется с помощью сдвига фазы постоянной составляющей светового потока на lh пе­ риода. Для этого в том месте задней фокальной плоско­ сти объектива микроскопа, где локализован свет, соот­ ветствующий нулевым пространственным частотам, поме­ щается . четвертьволновая пластинка, которая изменяет фазу постоянной составляющей светового потока и одно­ временно частично ослабляет его для увеличения глу­ бины модуляции. Кроме фазово-контрастного метода для идентификации фазовых изменений используются также интерференционные и темнопольные методы

[Л. 35].

Изменение частотного состава вторичного излучения по сравнению с первичным, облучающим микрообъект, составляет предмет исследования люминесцентного ана­ лиза. Селекция люминесцирующпх объектов может быть осуществлена с помощью системы фильтров, которая пропускает длинноволновое излучение от люминесцирующего объекта и блокирует излучение источника света, возбуждающего люминесценцию.

Анализ изменений пространственной ориентации век­ торов электрического и магнитного полей позволяет вы­ делить микрообъекты, обладающие поляризующей структурой. Освещение объекта в поляризационном ми­ кроскопе производится через устройство (поляризатор), выделяющее из совокупности неориентированных волн излучение с определенной ориентацией векторов. На вы­ ходе микроскопа устанавливается еще одно устройство, идентичное установленному на входе и называемое ана­ лизатором. При определенном положении плоскостей по-

9