Зинин: «Формирование изображений трех-мерных объектов в конфокальной микроскопии»

Повестка дня:

Павел Валентинович Зинин (НТЦ УП РАН, Москва) «Формирование изображений трех-мерных объектов в конфокальной микроскопии».

Конфокальная микроскопия это оптический метод визуализации, разработанный для улучшения разрешением вдоль оптической оси объектива и повышения контраста оптических изображений.  Это достигается за счет использования принципа конфокальной фильтра­ции и позволяет реконструкцию трех- трехмерных структур из полученных изображений.

В конфокальной оптической микроскопии, в большинстве случаев используется теория формирования изображений, основанная на двухмерной Фурье оптике (Гудмен, Фурье Оптика).  Эта теория применима для прозрачных объектов или слабых рассеивателей, когда оптические свойства объектов близки к оптическим свойствам среды. Например, прозрачные клетки в воде. Для объектов, у которых оптические свойства сильно отличаются от оптических свойств среды (сильные рассеиватели), теория формирования трех-мерных изображений была разработана сравнительно недавно [1,2].

В докладе, будет рассмотрено применение методов Фурье оптики для  разработки теории формирование изображений трех-мерных сильных рассеивателей в конфокальной микроскопии на примере сферических частиц. Показано, что (а) формирование изображений  сферических частиц в отражательных оптических и акустических микроскопах количественно хорошо описывается методами Фурье-оптики, (в) изображение центра сферы не зависит от радиуса сферы и представляет собой сжатое в два раза изображение поля в фокусе микроскопа, (б) изображение сферы на глубине равной половине радиуса является отображением функции зрачка, и может быть использовано для измерения функции зрачка микроскопа, (с) самым контрастным является изображение верхней поверхности сферической частицы. Изображение представляет собой яркое пятно с радиусом a sin (α), где a есть радиус частицы,  а sin (α) синус угла раскрытия линзы или численная апертура линзы. Анализ теории формирования изображений трех-мерных объектов оказывает, что размер объекта не может быть определен в отражательном конфокальном микроскопе. Теоретические расчеты также показывают,  что чтобы определить размер микрообъекта необходимо использовать микроскоп, работающий на прохождение. Дифракция на краях дает четкие очертания контура микрочастицы, как для слабых, так и для  сильных рассеивателей [3].

Измерения  спектральные характеристики клеток (например комбинационного  рассеяния) удобнее проводить в микроскопах работающих на отражение. Однако клетки в них плохо видны. Теоретически и экспериментально было показано, что для того, чтобы измерить  спектральные характеристики клеток в отражательном микроскопе и сделать края клетки хорошо различимыми, нужно эмулировать трансмиссионную микроскопию, положив клетки на зеркало в отражательном микроскопе [3].

В докладе будет также будут введены определения радиального и латерального разрешения конфокального микроскопа.

1. P. Zinin, W. Arnold, W. Weise, S. Berezina, “Theory and Applications of Conventional and Atomic Force Acoustic Microscopies”, in T. Kundu ed., Ultrasonic Nondestructive Evaluation: Engineering and Biological Material Characterization. Taylor & Francis, N.Y., chapter 11, second edition, 613-687 (2012).
2. W. Weise, P. Zinin, T. Wilson, G. A. D. Briggs and S. Boseck, “Imaging of spheres with the confocal scanning optical microscope”. Optics Letters. 21(22), 1800-1802 (1996).
3. P. V. Zinin, A. Misra, L. Kamemoto, Q. Yu, S. K. Sharma.” Emulated transmission confocal Raman microscopy”. J. Opt. Soc. Amer.. 24(11) 2779-2783 (2007).

Все лекции по микроскопии выложены на сайте http://www.soest.hawaii.edu/HIGP/Faculty/zinin/