10.7.5. Конструктивные решения

Цель проектирования голографического микроскопа заключается в том, чтобы получить при имеющихся ограничениях восстановленное изображение высшего качества. Большинство голографических микроскопов проектируется «для самих себя». Следовательно, каждый конструктор учитывает применения, для которых он проектирует микроскоп. Важно также знать, кто будет работать на изготовленном приборе. Взаимодействие между конструктором и оператором играет большую роль для достижения целей, поставленных перед конструкцией.

10.7.5 1. Свойства объекта

Наиболее критическим параметром конструкции голографического микроскопа является размер минимально разрешимой микроструктуры макроскопического объекта. Поскольку нельзя разрешить объекты, которые меньше длины волны используемого света, в случае видимого света такими неразрешимыми объектами являются объекты с размерами меньше Положение и размер кадра пленки определяют минимально разрешаемым размером объекта. А разрешение пленки будет определяться размером объекта и углом падения опорного пучка.

Выбор того или иного источника света определяется тем, движется объект или находится в покое. Для объектов, которые за время экспонирования перемещаются на расстояние, меньшее, чем годится освещение непрерывным светом с механическим прерыванием. Для освещения же быстро движущегося объекта приходится применять импульсный источник света. Максимальная скорость объекта для данной длины волны К и времени экспонирования оказывается порядка Движение объекта может накладывать и другие ограничения, например требование к пиковой мощности вместо энергии светового импульса короткой длительности. Любая фоточувствительная среда характеризуется определенным уровнем экспозиции (энергией на единицу площади), выше которого она обеспечивает хорошее качество голограмм. Так как при освещении коротким импульсом время экспонирования короче, то для достижения той же самой экспозиции мощность импульса должна быть больше (см. гл. настоящей книги). Это может потребовать такой большой пиковой мощности излучения, которое, будучи направлено на объект и оптические приборы, приведет к их разрушению, особенно в тех случаях, когда

значительная часть этой мощности поглощается объектом и(или) оптическими приборами.

Местоположение объекта и окружающая его обстановка создают дополнительные проблемы при конструировании голографического микроскопа. Большинство объектов окружает не воздух, и их нельзя закрепить на покровном стекле. Многие объекты находятся в жидкостях, как, например, кристаллы, растущие из расплава. Некоторые объекты находятся в вакуумных камерах или в камерах высокого давления. В тех случаях, когда объект помещен в отдаленное или физически недоступное место, конструктор должен предусмотреть, каким образом объектное поле подвести к плоскости фотопленки с возможно меньшими аберрациями. Может оказаться, что оптические устройства размещаются также не в воздухе. Поэтому необходимо учитывать влияние окружающей среды, особенно если она является турбулентной или рассеивающей значительное количество света.

Необходимо принимать во внимание и местоположение микроструктуры или то, в каком месте протекает интересующее нас событие в макроскопическом объекте. Даже в обычной микроскопии, чтобы получить качественное изображение фиксированного образца, приходится решать целый ряд проблем. Но если случайные объекты и(или) события происходят внутри объема образца, важно, чтобы они записывались на голограмму с целью их последующего исследования. Большой формат кадра пленки, небольшое расстояние от объекта до плоскости пленки и малое предварительное увеличение приводят в результате к регистрации большого объема объекта. Однако изображение, восстановленное с голограммы, должно изучаться в положении, в котором находился объект или(и) происходило событие в момент записи голограммы.

10.7.5.2. Длина волны излучения и когерентность источника

В большинстве голографических микроскопов высокого качества для записи голограмм и восстановления с них изображения используются непрерывные или импульсные лазеры. Специалисты по голографической микроскопии имеют возможность использовать многие лазеры с различными длинами волн и степенями когерентности, но при этом нельзя забывать и об экономической стороне вопроса, поскольку погоня за идеальным источником может дорого обойтись.

В первую очередь мы должны позаботиться о длине волны излучения. Например, для исследования красных кровяных телец нельзя выбирать лазер с одним лишь красным излучением. Надо быть уверенным, что объект не поглощает значительную долю падающего на него света с выбранной длиной волны. Кроме того, длина волны должна соответствовать спектральной

чувствительности фотопленки, гак как свойства всех фоточувствительных сред зависят от длины волны, особенно экспозиция, Если в голографическом микроскопе применяются какие-либо вспомогательные оптические элементы, следует проследить за тем, чтобы они имели противоотражательное покрытие относительно выбранной длины волны.

Критичны и когерентные свойства источников света. Лучшие голограммы получаются в свете, обладающем высокой степенью как пространственной, так и временной когерентности. Однако высокая степень пространственной когерентности способствует интерференции между объектными полями, исходящими из двух (или более) точек объекта, далеко отстоящих друг от друга. А высокая степень временной когерентности приводит к появлению спеклов.

Импульсные лазеры, если не приняты специальные меры, обладают меньшей пространственной и временной когерентностью, чем большинство непрерывных лазеров. В большинстве голографических микроскопов при формировании объектного и опорного пучков полезно иметь амплитудное деление волнового фронта, при условии что разностью длин путей объектного и опорного пучков от светоделителя до пленки можно будет управлять, делая ее меньше, чем длина когерентности источника света. Поскольку голограмма должна иметь максимально достижимый контраст интерференционных полос, комплексная степень когерентности должна быть максимальной в отсутствие посторонних источников шума.

10.7.5.3. Методы микроскопии

Предположим, что мы записали голограмму наилучшего качества, обработали ее и с нее восстановили изображение. Рассмотрим теперь, каким образом можно исследовать действительное восстановление изображения с помощью стандартных методов микроскопии. Если линза, применявшаяся в процессе регистрации голограммы, при восстановлении изображения снова помещается на то же самое место, что и при записи, то весь свет, не дифрагировавший на объекте, собирается в фокус (рис. 4). Помещая в фокус линзы непрозрачную заслонку, можно получить освещение по методу темного поля. А помещая в фокус линзы фазосдвигающий элемент, можно получить освещение по методу фазового контраста.

Интерференционная микроскопия может осуществляться несколькими способами. В некоторых случаях две голограммы накладываются друг на друга, и с них одновременно восстанавливаются изображения. Интерференцию, обусловленную изменениями в поле объекта, можно увидеть, если первая из голограмм является голограммой незанятого объектом положения. Интерференционные полосы, обусловленные ростом некоторых объектов,

можно увидеть, если сложить две голограммы, полученные в два различных момента времени.

При определенных очень ограниченных обстоятельствах можно обнаружить ненормальную структуру объекта, если голограмму объекта с нормальной структурой наложить на голограмму объекта с ненормальной структурой. В случае, когда объект относительно медленно движется или движение носит периодический характер, можно применять методы интерферометрии с усреднением по времени (см. § 10.4).

Рис. 4. Схемы записи голограммы (а) и восстановления с нее изображения (б) при необходимости иметь небольшое предварительное увеличение. Если линза возвращается на прежнее место, то действительное изображение восстанавливается без аберраций. Кроме того, при восстановлении изображения в точку можно помещать заслонки для получения фазового контраста, темного и светлого поля, или для наблюдения поляризации.

Ни один из перечисленных методов не разрушает и не изменяет исходной голограммы. Следовательно, несколько различных методов можно последовательно применить к одной и той же голограмме. Очень полезно и то, что голограмму для различных случаев можно исследовать разными методами. Голограмму можно записать и вновь использовать не повторяя исходный эксперимент.

10.7.5.4. Заключительные соображения по конструкции

На последнем этапе проектирования голографического микроскопа необходимо решить второстепенные вопросы, связанные с экономической выгодой и стоимостью. После того как принято решение конструировать голографический микроскоп и в проект

введены требования, диктуемые конкретным применением, в проект записываются данные о том, кто и для чего будет использовать голографический микроскоп С этой точки зрения разработчик и потребитель должны быть тесно связаны.

Необходимо также тщательно рассмотреть вопрос о том, в каком месте лаборатории будет размещаться голографический микроскоп. Затемнение помещения может вызвать небезопасную ситуацию. Поэтому должно быть предусмотрено безопасное размещение и распределение пучков лазерного света, а также источников высокого напряжения с применением блокировки на входе в лабораторию. Кроме того, при наличии летучих химических веществ в лаборатории должна быть обеспечена соответствующая вентиляция.

Для работы с голографическим микроскопом необходим специальный оператор, причем более высокой квалификации, чем оператор, работающий с обычным микроскопом. В проекте необходимо предусмотреть как можно более простое управление голографическим микроскопом. При этом следует настроить установку на получение максимального качества и обеспечить стабильность самого голографического микроскопа Поскольку голографический микроскоп — прибор, предназначенный для проведения микроскопических исследований, он не должен использоваться не по назначению

Наконец, остались вопросы стоимости, а именно — во что обойдется конструирование и изготовление, а также эксплуатация установки. По-видимому, установка должна выполняться в виде отдельных взаимозаменяемых и надежных блоков, но не следует особенно увлекаться большим числом блоков. В стоимость эксплуатации установки входит также стоимость потребляемой электрической энергии и обслуживание ее оператором.