RU2743973C1 - Method for determining frequency and amplitude of modulation of a phase of a wave front generated by vibrations of a cell membrane - Google Patents

Method for determining frequency and amplitude of modulation of a phase of a wave front generated by vibrations of a cell membrane Download PDF

Info

Publication number
RU2743973C1
RU2743973C1 RU2020128265A RU2020128265A RU2743973C1 RU 2743973 C1 RU2743973 C1 RU 2743973C1 RU 2020128265 A RU2020128265 A RU 2020128265A RU 2020128265 A RU2020128265 A RU 2020128265A RU 2743973 C1 RU2743973 C1 RU 2743973C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phase
frequency
modulation
recorder
amplitude
Prior art date
Application number
RU2020128265A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Генрихович Левин
Original Assignee
Геннадий Генрихович Левин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Геннадий Генрихович Левин filed Critical Геннадий Генрихович Левин
Priority to RU2020128265A priority Critical patent/RU2743973C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2743973C1 publication Critical patent/RU2743973C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02055Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/02056Passive reduction of errors
    • G01B9/02057Passive reduction of errors by using common path configuration, i.e. reference and object path almost entirely overlapping
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/4833Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to the field of interferometry of phase dynamic objects. Method for determining frequency and amplitude of modulation of a wave front phase generated by vibrations of a cell membrane involves dividing the radiation of a coherent source into two beams, one of which passes through the analyzed object and is displayed on the recorder, and the second passes along the reference channel and also falls on the recorder, where both beams interfere, and change in the interference pattern indicates changes in the phase of the wave front. Reference channel of the interferometer during registration of the interferogram is adjusted so that the value of the phase difference in the selected region is equal to zero. Part of the wave front passed through the analyzed cell is directed by the optical system to the phase modulator. By means of the phase modulator the transmitted radiation with frequency ω1and modulation depth m1, then modulator image is projected by optical system on recorder, wherein to compensate for phase displacement caused by external vibrations, selecting a portion of the wave front not passed through the object, and directed by the same optical system to a phase modulator, which modulates this portion of the wave front by frequency ω2and modulation depth m2. Then image of this part of phase modulator is projected onto recorder, obtained two electric signals are multiplied, and the resulting signal is subjected to spectral analysis, wherein from the signal spectrum, selecting a frequency equal to the difference in the optical radiation modulation frequencies passed through the object, and optical radiation that has not passed through the object, and near this frequency, a symmetrical pair of frequencies with an opposite phase value is searched for, by frequency coordinates of which frequency is determined, and by value - amplitude modulation phase of the wave front in the selected cell region.EFFECT: technical result consists in providing the possibility of increasing accuracy of measuring frequency and amplitude of membrane cell vibrations.1 cl, 2 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области оптико-электронных измерений, а именно, к интерферометрии фазовых динамических объектов и может быть использовано в биологии и медицине для исследования частоты колебаний формы и показателя преломления живых клеток, которые определяют ее оптическую толщину.The present invention relates to the field of optoelectronic measurements, namely, to interferometry of phase dynamic objects and can be used in biology and medicine to study the vibration frequency of the shape and refractive index of living cells, which determine its optical thickness.

Как известно, для живых клеток характерны локальные колебания мембраны, называемые также фликкер или динамические флуктуации мембраны. Несмотря на длительную историю исследования таких колебаний, и многочисленные работы, посвященные их спектральному анализу и моделированию, молекулярные и клеточные механизмы данного явления до сих пор обсуждаются. Важно, что не подвергается сомнению тот факт, что амплитуда фликкера определяется мембраной и зависит от состояния цитоскелета клетки: изменения упругих свойств комплекса мембраны и цитоскелета или формирования локальных изгибов (выступов) мембраны за счет перестройки спектриновой сети (например, отщепления от узлового комплекса одной из нитей спектрина и образования непланарной конфигурации сети). Также при этом возможно анализировать и характер шума, выделяя определенные частоты колебаний и оценивая с их помощью динамические процессы, протекающие в клетках. Данный процесс весьма сложен и требует значительных человеческих и машинных трудозатрат. Понимание происхождения клетки и определение характеристик колебания ее мембраны могут дать информацию о функциональных состояниях эритроцитов при нормальных и патологических состояниях. Не менее важной задачей является изменение плотности внутри клетки, связанные с синтезом и распадом белка, что также приводит к периодическим изменениям фазы, прошедшего через объект волнового фронта. Разделить влияние колебания мембраны и флуктуаций плотности внутри клетки из оптических измерений практически невозможно, поэтому определяют изменение оптической толщины клетки, характеризующей обе эти величины. Для исследования динамики живых клеток используются различные методы, такие как: фазово-контрастная микроскопия, отраженная интерференционная контрастная микроскопия, рассеяние света, техника, основанная на точечной темнопольной микроскопии. Однако эти методы не являются по своей сути количественными с точки зрения абсолютных измерений и не позволяют исследовать распределение мембранных колебаний и флуктуаций показателя преломления внутри клетки.As you know, living cells are characterized by local oscillations of the membrane, also called flicker or dynamic fluctuations of the membrane. Despite the long history of studying such oscillations, and numerous works devoted to their spectral analysis and modeling, the molecular and cellular mechanisms of this phenomenon are still being discussed. It is important that the fact that the flicker amplitude is determined by the membrane and depends on the state of the cell cytoskeleton is not questioned: changes in the elastic properties of the membrane and cytoskeleton complex or the formation of local bends (protrusions) of the membrane due to rearrangement of the spectrin network (for example, cleavage from the nodal complex of one of the spectrin strands and the formation of a nonplanar network configuration). It is also possible to analyze the nature of the noise, highlighting certain vibration frequencies and evaluating with their help the dynamic processes occurring in the cells. This process is very complex and requires significant human and machine labor. Understanding the origin of the cell and determining the characteristics of the oscillation of its membrane can provide information about the functional states of erythrocytes under normal and pathological conditions. An equally important task is to change the density inside the cell, associated with the synthesis and decay of protein, which also leads to periodic changes in the phase that has passed through the wavefront object. It is practically impossible to separate the influence of membrane oscillations and density fluctuations inside the cell from optical measurements; therefore, the change in the optical thickness of the cell, which characterizes both of these quantities, is determined. Various methods are used to study the dynamics of living cells, such as phase contrast microscopy, reflected interference contrast microscopy, light scattering, and a technique based on point dark-field microscopy. However, these methods are not inherently quantitative from the point of view of absolute measurements and do not allow one to study the distribution of membrane vibrations and fluctuations of the refractive index inside the cell.

В последнее время появляются новые методы визуализации, называемые количественная фазовая микроскопия, которая продемонстрировала свою способность обеспечить точную трехмерную визуализацию прозрачных живых клеток. Использование этого метода для исследования временных колебаний мембраны и плотности внутри клетки представляет собой актуальную задачу, решением которой занимаются научные коллективы в различных странах.Recently, new imaging techniques called quantitative phase microscopy have emerged and have demonstrated their ability to provide accurate three-dimensional imaging of transparent living cells. The use of this method to study the temporal fluctuations of the membrane and density inside the cell is an urgent problem, the solution of which is being addressed by research teams in various countries.

Из уровня техники известны ряд способов исследования колебаний клеточной мембраны, однако наиболее удобными и популярными являются оптические методы на базе интерференционной микроскопии.A number of methods for studying vibrations of the cell membrane are known from the prior art; however, the most convenient and popular are optical methods based on interference microscopy.

Одним из аналогов заявляемого технического решения является способ, определения колебания плотности внутри клетки, что также приводит к модуляции фазы волнового фронта, реализованный в автоматизированном интерференционном микроскопе «Эйрискан» и разработанный на базе микроинтерферометра МИИ-4 по схеме Линника (Тычинский В.П. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов // Успехи физических наук.- 2001. - Т. 171. - №6.). В качестве источника освещения использовался He-Ne лазер. Интерференционное изображение регистрируется с помощью координатно-чувствительного фотоприемника - диссектора, который представляет собой электронно-оптический преобразователь с внешним фотоэффектом (без накопления заряда) с фотоэлектронным умножителем и магнитным переносом потока электронов в плоскость диафрагмы с малым отверстием. Для автоматизированной расшифровки интерферограмм реализован компенсационный метод. Модуляция фазы опорного пучка излучения производилась с помощью зеркала с пьезоэлементом. Область сканирования изменялась в пределах 5-50 мкм. Максимальный размер изображения 1024×1024 пикселей. Время ввода одного пикселя - 1 мс. Время захвата всего изображения изменяется от 10 с (5×5 мкм) - 16 мин (50×50 мкм). Таким образом, данный микроскоп, имеющий длительное время ввода изображения, позволяет исследовать лишь стационарные фазовые объекты, либо проводить локальные динамические измерения - в нескольких точках для динамических объектов. Основными недостатками данного метода являются: необходимость восстановления фазы интерферограмм, что приводит к дополнительным погрешностям алгоритма; невозможность компенсации собственных фазовых шумов прибора, из-за локальных измерений фазы только в области объекта; недостаточная дискриминационная способность при спектральном анализе, т.к необходимо определять локальный максимум на фоне шумов.One of the analogues of the proposed technical solution is a method for determining density fluctuations inside a cell, which also leads to modulation of the wavefront phase, implemented in the automated interference microscope "Airiskan" and developed on the basis of the MII-4 microinterferometer according to the Linnik scheme (Tychinsky V.P. Coherent phase microscopy of intracellular processes // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 2001. - V. 171. - No. 6.). A He-Ne laser was used as an illumination source. The interference image is recorded using a coordinate-sensitive photodetector - a dissector, which is an image converter with an external photoelectric effect (without charge accumulation) with a photomultiplier tube and magnetic transfer of an electron flux into the plane of the diaphragm with a small hole. A compensation method is implemented for automated interpretation of interferograms. The phase modulation of the reference radiation beam was performed using a mirror with a piezoelectric element. The scanning area varied in the range of 5-50 microns. The maximum image size is 1024 × 1024 pixels. The input time for one pixel is 1 ms. The capture time of the entire image varies from 10 s (5 × 5 μm) - 16 min (50 × 50 μm). Thus, this microscope, which has a long image input time, allows one to study only stationary phase objects, or to carry out local dynamic measurements - at several points for dynamic objects. The main disadvantages of this method are: the need to restore the phase of interferograms, which leads to additional errors in the algorithm; the impossibility of compensating for the intrinsic phase noise of the device, due to local phase measurements only in the area of the object; insufficient discriminating ability in spectral analysis, because it is necessary to determine the local maximum against the background of noise.

В качестве еще одного аналога заявляемого способа определения частоты и амплитуды модуляции фазы волнового фронта, создаваемого колебаниями мембраны клетки, рассмотрим голографический микроскоп, предназначенный для анализа колебаний мембраны эритроцита и описанный в работе В. Rappaz, et al., Spatial analysis of erythrocyte membrane fluctuations by digital holographic microscopy, Blood Cells Mol. Dis. (2009), doi:10.1016/j.bcmd.2009.01.018. Экспериментальная установка, реализующая данный способ, представляет собой модифицированную конфигурацию интерферометра Маха-Цендера. Свет, прошедший через объект и собираемый объективом, формирует объектную волну, которая пересекается с опорной волной R для получения голограммы, которая регистрируется цифровой камерой. Голограммы записываются в внеосевой геометрии т.е. опорная волна достигает регистратора с небольшим углом падения (угол 1°) относительно направления распространения объектной волны. Процедура реконструкции заключается в численном восстановлении голограммы по цифровому эталону опорного пучка внеосевой геометрии. Такая реконструкция процесса также позволяет исправить аберрацию волнового фронта и восстановить фазу волнового фронта, прошедшего через объект. Для уменьшения шума применяется временное суммирование четырех последовательных изображений, восстановленных с голограмм. Это позволяет частично компенсировать экспериментальный шум (временной сдвиг, вибрацию и т.д.). Для оценки амплитуды мембранных колебаний фазы временные колебания - определяется стандартное отклонение фазы сигнал точки на изображении в течение определенного периода времени регистрации. Для определения частоты колебаний используется спектральный анализ временных рядов. Недостатком данного метода является: во-первых, практически отсутствие компенсации искажений, связанных с фазовыми шумами прибора, во-вторых, наличие существенной погрешности реконструкции фазы из голограммы, связанной с алгоритмами цифрового восстановления голограмм, что приводит к дополнительным фазовым шумам, в-третьих, анализ спектра сигнала и поиск единственного максимума в спектре при наличии шума представляет собой сложную задачу.As another analogue of the proposed method for determining the frequency and amplitude of the phase modulation of the wavefront created by vibrations of the cell membrane, consider a holographic microscope designed to analyze vibrations of the erythrocyte membrane and described in the work of V. Rappaz, et al., Spatial analysis of erythrocyte membrane fluctuations by digital holographic microscopy, Blood Cells Mol. Dis. (2009), doi: 10.1016 / j.bcmd.2009.01.018. The experimental setup that implements this method is a modified configuration of the Mach-Zehnder interferometer. The light that passes through the object and is collected by the lens forms an object wave that intersects with the reference wave R to produce a hologram, which is recorded by a digital camera. Holograms are recorded in off-axis geometry i.e. the reference wave reaches the recorder with a small angle of incidence (angle 1 °) relative to the direction of propagation of the object wave. The reconstruction procedure consists in the numerical reconstruction of the hologram from the digital standard of the reference beam of off-axis geometry. This reconstruction of the process also allows you to correct the aberration of the wavefront and restore the phase of the wavefront that passed through the object. To reduce the noise, the time summation of four consecutive images reconstructed from the holograms is used. This makes it possible to partially compensate for the experimental noise (time shift, vibration, etc.). To estimate the amplitude of membrane oscillations of the phase, the temporal oscillations are determined by the standard deviation of the phase of the signal point in the image over a certain period of time of registration. Spectral analysis of time series is used to determine the frequency of oscillations. The disadvantage of this method is: firstly, there is practically no compensation for distortions associated with the phase noise of the device, and secondly, the presence of a significant error in the reconstruction of the phase from the hologram associated with the algorithms for digital reconstruction of holograms, which leads to additional phase noise, and thirdly, analyzing the signal spectrum and finding a single peak in the spectrum in the presence of noise is challenging.

Наиболее близким аналогом, или прототипом заявляемого способа можно считать следующий способ измерений флуктуации фазы: Optical Measurement of Cell Membrane Tension, Gabriel Popescu, 1 Takahiro Ikeda, 2 Keisuke Goda, 3 Catherine A. Best-Popescu, 4 Michael Laposata, 4 Suliana Manley, 5 Ramachandra R. Dasari, 1 Kamran Badizadegan, 1, 4 and Michael S. Feldl, PHYSICAL REVIEW LETTERS PRL 97, 218101 (2006). В нем излучение от лазера HeNe коллимируется и разделяется на объектный (S) и опорный (R) каналы, чтобы сформировать модифицированый интерферометр Маха-Цендера. Объектный луч обеспечивает поле освещения для инвертированного микроскопа. Сферическая линза расположена таким образом, что изображение образца формируется в плоскости ПЗС регистратора. Опорное поле коллимируется и расширяется с помощью телескопической системы, состоящей из другого объектива микроскопа и той же линзы плоскости ПЗС регистратора.The closest analogue or prototype of the proposed method can be considered the following method for measuring phase fluctuations: Optical Measurement of Cell Membrane Tension, Gabriel Popescu, 1 Takahiro Ikeda, 2 Keisuke Goda, 3 Catherine A. Best-Popescu, 4 Michael Laposata, 4 Suliana Manley, 5 Ramachandra R. Dasari, 1 Kamran Badizadegan, 1, 4 and Michael S. Feldl, PHYSICAL REVIEW LETTERS PRL 97, 218101 (2006). In it, radiation from a HeNe laser is collimated and separated into an object (S) and a reference (R) channel to form a modified Mach-Zehnder interferometer. The object beam provides an illumination field for an inverted microscope. The spherical lens is positioned in such a way that the image of the sample is formed in the plane of the CCD recorder. The reference field is collimated and expanded using a telescopic system consisting of another objective of the microscope and the same lens of the plane of the CCD recorder.

Используя высокочастотную пространственную фильтрацию и преобразование Гильберта, в каждой точке интерферограммы реконструируют пространственно изменяющуюся фазу, связанную с изображением клетки. Чтобы подавить собственный фазовый шум, используется система обратной связи, которая блокирует интерферометр на полосе помех следующим образом. Небольшое зеркало отклоняет часть лучей до того, как они достигают регистратора. Два луча, распространяющиеся по оси, пространственно фильтруются апертурой и детектируются фотодиодом. После системы обработки интерферограммы определяют изменения фазы и вырабатывается управляющий сигнал, который корректирует длину опорного плеча через управление пьезо зеркалом, стоящим в опорном канале. Недостатками данного метода является то, что, во-первых, не исключаются погрешности реконструкции фазы, которые приводят к фазовым шумам, во-вторых, сохраняется невысокая дискриминационнось искомой частоты и амплитуды колебаний фазы, т.к. необходим поиск единственного максимума в спектре при наличии шума.Using high-frequency spatial filtering and the Hilbert transform, at each point of the interferogram, a spatially changing phase associated with the cell image is reconstructed. To suppress the intrinsic phase noise, a feedback system is used that blocks the interferometer in the interference band as follows. A small mirror deflects some of the beams before they reach the recorder. Two beams propagating along the axis are spatially filtered by the aperture and detected by a photodiode. After the interferogram processing system, phase changes are determined and a control signal is generated, which corrects the length of the reference arm through the control of the piezo mirror in the reference channel. The disadvantages of this method are that, firstly, phase reconstruction errors, which lead to phase noise, are not excluded, and secondly, the low discrimination of the desired frequency and amplitude of phase oscillations is preserved, since it is necessary to search for a single maximum in the spectrum in the presence of noise.

Таким образом среди основных недостатков известных из уровня техники интерфереционных систем, применяемых для определения частоты и амплитуды колебаний фазового фронта, можно выделить следующие три:Thus, among the main disadvantages of interference systems known from the prior art, used to determine the frequency and amplitude of phase front oscillations, the following three can be distinguished:

1. Определение изменения фазы проводится после реконструкции фазы из интерференционной картины, что приводит к существенному увеличению времени регистрации одного фазового фронта при реконструкции при помощи метода фазовых шагов или повышении погрешности измерений при использовании метода Фурье (Преобразование Гильберта) и уменьшению исследуемой полосы частот колебаний фазы волнового фронта.1. Determination of the phase change is carried out after the reconstruction of the phase from the interference pattern, which leads to a significant increase in the registration time of one phase front during reconstruction using the method of phase steps or an increase in the measurement error when using the Fourier method (Hilbert transform) and a decrease in the investigated frequency band of oscillations of the wave front.

2. Влияние внешних воздействий на интерференционную картину, таких как вибрация и периодические смещения оптических элементов, которые называют собственным фазовым шумом прибора. Они также искажают измерения частоты собственных колебаний объекта. Особенно эти вибрации существенно сказываются при настройке интерферометра на полосы конечной ширины, что необходимо для применения метода Фурье или восстановления голограмм при реконструкции фазы.2. The influence of external influences on the interference pattern, such as vibration and periodic displacements of optical elements, which are called the intrinsic phase noise of the device. They also distort the measurement of the natural frequency of the object. Especially these vibrations have a significant effect when tuning the interferometer to bands of finite width, which is necessary for applying the Fourier method or restoring holograms during phase reconstruction.

3. Плохая дискриминационная способность спектра сигнала флуктуации фазы в исследуемой области объекта. Это вызвано тем, что спектр представляет собой локальный максимум на фоне широкого квази белого спектра, вызванного шумами регистратора и ошибками реконструкции фазы, который обладает гармониками, связанными с алгоритмом реконструкции. Существенным также является то, что при анализе низких частот трудно разделить широкий спектр нулевых частот и небольшой локальный максимум искомой частоты.3. Poor discriminating ability of the spectrum of the phase fluctuation signal in the investigated area of the object. This is because the spectrum is a local maximum against the background of a wide quasi-white spectrum caused by recorder noise and phase reconstruction errors, which has harmonics associated with the reconstruction algorithm. It is also essential that, when analyzing low frequencies, it is difficult to separate a wide spectrum of zero frequencies and a small local maximum of the desired frequency.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, состоит в устранении указанных недостатков и одновременно в расширении диапазона измерений частот колебаний фазы волнового фронта, прошедшего через клетку и создаваемого колебаниями мембраны клетки.The technical problem solved by the claimed invention consists in the elimination of these disadvantages and at the same time in the expansion of the measurement range of the oscillation frequencies of the phase of the wavefront that passed through the cell and created by the oscillations of the cell membrane.

Технический результат, который обеспечивается заявляемым изобретением, заключается в повышении точности проводимых измерений частоты и амплитуды мембранных колебаний клетки за счет компенсации воздействия внешних колебаний и повышения дискриминационной способности спектрального анализа, выражающейся в возможности формирования характерного сигнала, определяемого амплитудой и частотой колебаний фазы, в виде двойного максимума и эффективного выявления его в анализируемом спектре.The technical result, which is provided by the claimed invention, is to increase the accuracy of the measurements of the frequency and amplitude of membrane oscillations of the cell by compensating for the effect of external oscillations and increasing the discriminatory ability of spectral analysis, which is expressed in the possibility of forming a characteristic signal, determined by the amplitude and frequency of phase oscillations, in the form of a double maximum and effective detection of it in the analyzed spectrum.

Заявляемое техническое решение характеризуется следующими существенными отличительными признакамиThe claimed technical solution is characterized by the following essential distinctive features

1. Амплитуда и частота модуляции фазы волнового фронта определяются непосредственно по локальным изменениям интерферограммы, что позволяет избежать погрешностей, связанных с алгоритмами реконструкции фазы из интерферограмм.1. The amplitude and frequency of modulation of the phase of the wavefront are determined directly from local changes in the interferogram, which allows avoiding errors associated with algorithms for phase reconstruction from interferograms.

2. Внешние фазовые шумы прибора компенсируются за счет смешения информационного и опорного сигналов, что позволяет полностью исключить его влияние непосредственно в процессе измерений.2. External phase noise of the device is compensated by mixing the information and reference signals, which makes it possible to completely exclude its influence directly in the measurement process.

3. Дополнительная фазовая модуляция информационного и опорного сигналов позволяет существенно повысить дискриминационную способность при анализе спектра и определять амплитуду и частоту колебаний фазы на уровне шумов.3. Additional phase modulation of the information and reference signals can significantly increase the discriminatory ability in spectrum analysis and determine the amplitude and frequency of phase fluctuations at the noise level.

Заявляемый способ определения частоты и амплитуды модуляции фазы волнового фронта, создаваемого колебаниями мембраны клетки, осуществляется следующим образом (см. Фиг. 1). Излучение когерентного источника 1 направляется на светоделитель 2, где делится на два пучка, один из которых проходит через исследуемую клетку 3. Второй попадает на управляемое зеркало 4 и затем через зеркал 9 и светоделитель 8 на регистратор 10.The inventive method for determining the frequency and amplitude of the modulation of the phase of the wavefront created by vibrations of the cell membrane is carried out as follows (see Fig. 1). The radiation of the coherent source 1 is directed to the beam splitter 2, where it is divided into two beams, one of which passes through the investigated cell 3. The second falls on the controlled mirror 4 and then through the mirrors 9 and the beam splitter 8 to the recorder 10.

Исследуемую клетку 3, помещают в сигнальное плечо интерферометра, освещают лазерным излучением таким образом, чтобы область освещения была больше размера объекта. Интерферометр, при помощи зеркала 4, настраивают на полосы бесконечной ширины. На объекте визуально выбирают область, в которой будет определяться амплитуда и частота собственных колебаний. При помощи управляемого зеркала в опорном канале устанавливают фазу опорной волны так, чтобы разность фаз опорного и сигнального канала в этой области была равна нулю. При этом индекс модуляции собственных колебаний m на интерферограмме будет максимальной. Вне объекта выбирают область приблизительно равного размера, сигнал с которой будет служить в качестве опорного.The investigated cell 3 is placed in the signal arm of the interferometer, illuminated with laser radiation in such a way that the area of illumination is larger than the size of the object. The interferometer, with the help of mirror 4, is tuned to bands of infinite width. An area is visually selected at the object in which the amplitude and frequency of natural vibrations will be determined. Using a controlled mirror in the reference channel, the phase of the reference wave is set so that the phase difference between the reference and signal channels in this region is equal to zero. In this case, the modulation index of natural oscillations m on the interferogram will be maximum. Outside the object, an area of approximately equal size is selected, the signal from which will serve as a reference.

Изображение объекта проецируют при помощи оптической системы 5 на пространственный фазовый модулятор 6.The image of the object is projected using the optical system 5 onto the spatial phase modulator 6.

Фазовый модулятор модулирует упавшее излучение в выбранной для исследования области объекта с частотой ωs, а в области вне объекта с частотой ωr. Модулированное изображение проецируют оптической системой 7 на регистратор 10. На регистратор 10 также направляют опорную волна с фиксированной фазой.The phase modulator modulates the incident radiation in the area of the object selected for the study with a frequency ω s , and in the area outside the object with a frequency ω r. The modulated image is projected by the optical system 7 onto the recorder 10. A reference wave with a fixed phase is also directed to the recorder 10.

Получившуюся интерферограмму формируют в плоскости регистратора 10 и преобразуют им в электрический сигнал, который в заданной области объекта можно представить в виде следующего выражения:The resulting interferogram is formed in the plane of the recorder 10 and converted by it into an electrical signal, which in a given area of the object can be represented as the following expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

где U(t)=U0+Un(t) - амплитуда сигнала, U0 - постоянная составляющая амплитуды, Un(t) - шумовая добавка к амплитуде, m - индекс модуляции полезного сигнала, Ω - круговая частота полезного сигнала,

Figure 00000002
- дрожание плеч интерферометра,
Figure 00000003
- амплитуда дрожания плеч,
Figure 00000004
- ширина спектра дрожания плеч, спектр дрожания плеч имеет максимум в нуле частоты и гауссову огибающую, Фs(t) - модуляция сигнального канала, представляет собой одностороннюю пилу с максимумом Amax1, минимумом Amin1 и круговой частотой ω3, ϕs - начальная фаза.where U (t) = U 0 + U n (t) is the signal amplitude, U 0 is the constant component of the amplitude, U n (t) is the noise addition to the amplitude, m is the modulation index of the useful signal, Ω is the circular frequency of the useful signal,
Figure 00000002
- trembling of the interferometer arms,
Figure 00000003
- amplitude of shaking shoulders,
Figure 00000004
- the width of the spectrum of the jitter of the shoulders, the spectrum of the jitter of the shoulders has a maximum at zero frequency and a Gaussian envelope, Ф s (t) - modulation of the signal channel, is a one-sided saw with a maximum A max1 , a minimum A min1 and a circular frequency ω 3 , ϕ s is the initial phase.

В области вне объекта интерферограмма также преобразуют в электрический сигнал, который можно представить в виде следующего выражения:In the area outside the object, the interferogram is also converted into an electrical signal, which can be represented as the following expression:

Figure 00000005
Figure 00000005

где Фr(t) - модуляция сигнального канала, представляет собой одностороннюю пилу с максимумом Amax2, минимумом Amin2 и круговой частотой ωr, ϕr - начальная фаза.where Ф r (t) is the modulation of the signal channel, is a one-sided saw with a maximum A max2 , a minimum A min2 and a rotational frequency ω r , ϕ r is the initial phase.

Оба сигнала поступают на перемножитель 11 (смеситель) в результате на выходе формируют измеряемый сигнал, который определяется следующим выражением:Both signals are fed to the multiplier 11 (mixer), as a result, the measured signal is formed at the output, which is determined by the following expression:

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

Полученный сигнал анализируют в спектранализаторе 12.The received signal is analyzed in the spectralizer 12.

Спектральный анализ этого сигнала показывает, что спектр сигнала в районе разностной частоты содержит два ярко выраженных максимума на частотах (Фsr)±Ω.Spectral analysis of this signal shows that the spectrum of the signal in the region of the difference frequency contains two pronounced maxima at frequencies (Ф sr ) ± Ω.

При этом в этой области полностью компенсируются шумы, связанные с внешними вибрациями и ошибки связанные с восстановлением фазы из интерферограмм.At the same time, in this area, noises associated with external vibrations and errors associated with phase recovery from interferograms are fully compensated.

На Фиг. 2 представлены результаты моделирования предложенного способа.FIG. 2 shows the results of modeling the proposed method.

На Фиг. 2а Представлены результаты моделирования предложенного способа при частоте колебаний оптической толщины клетки Ω=5 Гц:FIG. 2а The results of modeling of the proposed method are presented at the frequency of oscillations of the optical thickness of the cell Ω = 5 Hz:

Параметры модели приведены ниже:The model parameters are shown below:

U0=1U 0 = 1

Un=0,01U n = 0.01

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

m=0.01;m = 0.01;

Ω=2π × 5 ГцΩ = 2π × 5 Hz

ωs=2π × 100 Гцω s = 2π × 100 Hz

Amax1=πAmin1=-πA max1 = πA min1 = -π

ϕr=0.6 πϕ r = 0.6 π

ωr=2π × 200 Гцω r = 2π × 200 Hz

Amax2=πAmin2=-πA max2 = πA min2 = -π

Все обозначения приведены выше в тексте.All designations are given above in the text.

На Фиг. 2б представлены результаты моделирования предложенного способа при частоте колебаний оптической толщины клетки Ω=100 Гц:FIG. 2b shows the results of modeling the proposed method at a frequency of oscillations of the optical thickness of the cell Ω = 100 Hz:

Параметры модели приведены ниже:The model parameters are shown below:

Ω=2π × 100 ГцΩ = 2π × 100 Hz

ωs=2π × 300 Гцω s = 2π × 300 Hz

ωr=2π × 420 Гцω r = 2π × 420 Hz

Остальные параметры такие же как на Фиг. 2а.The rest of the parameters are the same as in FIG. 2a.

Из графиков, приведенных на рисунках видно, что информационный сигнал отстоит от шумовой составляющей и явно выделяется парой частот (ω12)±Ω которые позволяют легко определить частоту и амплитуду колебания оптической толщины клетки.From the graphs shown in the figures it can be seen that the information signal is separated from the noise component and is clearly distinguished by a pair of frequencies (ω 12 ) ± Ω which make it easy to determine the frequency and amplitude of oscillations of the optical thickness of the cell.

Результаты моделирования показывают, что предложенный метод позволяет определять частоту и амплитуду модуляции фазы волнового фронта, создаваемого колебаниями мембраны клетки, в широком диапазоне частот и малой амплитуде колебаний с высокой надежностью.The simulation results show that the proposed method makes it possible to determine the frequency and amplitude of the phase modulation of the wavefront created by vibrations of the cell membrane in a wide frequency range and small amplitude of vibrations with high reliability.

Хотя настоящее изобретение описано на примере конкретных вариантов его осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного изобретения, не выходящие за границы объема его правовой охраны, определяемого прилагаемой формулой.Although the present invention has been described by the example of specific variants of its implementation, for specialists it will be clear the possibilities of numerous modifications of this invention, which do not go beyond the scope of its legal protection defined by the attached claims.

Claims (9)

Способ определения частоты и амплитуды модуляции фазы волнового фронта, создаваемого колебаниями мембраны клетки, содержащий следующие шаги:A method for determining the frequency and amplitude of the modulation of the phase of the wavefront created by vibrations of the cell membrane, containing the following steps: - излучение когерентного источника делят на два пучка, один из которых проходит через исследуемый объект и отображается на регистраторе, а второй проходит по опорному каналу и также попадает на регистратор, где оба пучка интерферируют, и по изменению интерференционной картины судят о об изменениях фазы волнового фронта,- the radiation of a coherent source is divided into two beams, one of which passes through the object under study and is displayed on the recorder, and the second passes through the reference channel and also enters the recorder, where both beams interfere, and the change in the interference pattern is used to judge about changes in the phase of the wave front , отличающийся тем, чтоcharacterized in that - опорный канал интерферометра в процессе регистрации интерферограммы настраивают таким образом, чтобы значение разности фаз в выбранной области было равно нулю,- the reference channel of the interferometer during the registration of the interferogram is adjusted in such a way that the value of the phase difference in the selected area is equal to zero, - часть волнового фронта, прошедшего через исследуемую клетку, направляют оптической системой на фазовый модулятор,- a part of the wavefront passing through the cell under study is directed by the optical system to the phase modulator, - посредством фазового модулятора модулируют прошедшее излучение с частотой ω1 и глубиной модуляции m1, затем изображение модулятора проецируют оптической системой на регистратор,- by means of a phase modulator, the transmitted radiation is modulated with a frequency ω 1 and a modulation depth m 1 , then the image of the modulator is projected by an optical system onto a recorder, - при этом для компенсации смещения фазы, вызванного внешними вибрациями, выделяют часть волнового фронта, не прошедшую через объект, и направляют ее той же оптической системой на фазовый модулятор, который модулирует эту часть волнового фронта частотой ω2 и глубиной модуляции m2,- in this case, to compensate for the phase shift caused by external vibrations, the part of the wavefront that did not pass through the object is separated and directed by the same optical system to the phase modulator, which modulates this part of the wavefront with the frequency ω 2 and the modulation depth m 2 , - затем изображение этой части фазового модулятора проецируют на регистратор,- then the image of this part of the phase modulator is projected onto the recorder, - полученные два электрических сигнала направляют на перемножитель, где они перемножаются, и результирующий сигнал подвергают спектральному анализу, при этом из спектра сигнала выделяют частоту, равную разности частот модуляции оптического излучения, прошедшего через объект, и оптического излучения, не прошедшего через объект, и вблизи этой частоты ищут симметричную пару частот с противоположным значением фазы, по частотным координатам которых определяют частоту, а по величине – амплитуду модуляции фазы волнового фронта в выбранной области клетки.- the obtained two electrical signals are sent to a multiplier, where they are multiplied, and the resulting signal is subjected to spectral analysis, while a frequency equal to the difference between the modulation frequencies of the optical radiation that passed through the object and the optical radiation that did not pass through the object, and near for this frequency, a symmetric pair of frequencies with the opposite phase value is sought, according to the frequency coordinates of which the frequency is determined, and according to the magnitude, the amplitude of the wavefront phase modulation in the selected area of the cell.
RU2020128265A 2020-08-25 2020-08-25 Method for determining frequency and amplitude of modulation of a phase of a wave front generated by vibrations of a cell membrane RU2743973C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128265A RU2743973C1 (en) 2020-08-25 2020-08-25 Method for determining frequency and amplitude of modulation of a phase of a wave front generated by vibrations of a cell membrane

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128265A RU2743973C1 (en) 2020-08-25 2020-08-25 Method for determining frequency and amplitude of modulation of a phase of a wave front generated by vibrations of a cell membrane

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2743973C1 true RU2743973C1 (en) 2021-03-01

Family

ID=74857493

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020128265A RU2743973C1 (en) 2020-08-25 2020-08-25 Method for determining frequency and amplitude of modulation of a phase of a wave front generated by vibrations of a cell membrane

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2743973C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2761480C1 (en) * 2021-02-15 2021-12-08 Геннадий Генрихович Левин Method for determining coordinates of changes in cell structure by phase images

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005001445A2 (en) * 2001-12-18 2005-01-06 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for phase measurements
US20100094135A1 (en) * 2001-12-18 2010-04-15 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for phase measurements
US9514271B2 (en) * 2010-06-17 2016-12-06 Purdue Research Foundation Digital holographic method of measuring cellular activity and measuring apparatus with improved stability

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005001445A2 (en) * 2001-12-18 2005-01-06 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for phase measurements
US20100094135A1 (en) * 2001-12-18 2010-04-15 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for phase measurements
US9514271B2 (en) * 2010-06-17 2016-12-06 Purdue Research Foundation Digital holographic method of measuring cellular activity and measuring apparatus with improved stability

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Gabriel Popescu и др. "Optical Measurement of Cell Membrane Tension", *
Gabriel Popescu и др. "Optical Measurement of Cell Membrane Tension", PHYSICAL REVIEW LETTERS 97, 2006. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2761480C1 (en) * 2021-02-15 2021-12-08 Геннадий Генрихович Левин Method for determining coordinates of changes in cell structure by phase images

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dändliker I Heterodyne Holographic Interferometry
US9164479B2 (en) Systems and methods of dual-plane digital holographic microscopy
JP2018105875A (en) Off-axis reflection phase microscope system and method for off-axis phase microscope
Poittevin et al. Multi-point vibrometer based on high-speed digital in-line holography
CN104634699B (en) Laguerre-gaussian beam-based speckle contrast imaging measurement device and laguerre-gaussian beam-based speckle contrast imaging measurement method
US8621931B2 (en) Multipoint laser vibrometer with single detector
CN104482875A (en) Single-slit spatial carrier shearing speckle interferometry measuring system and measuring method
EP3514599A1 (en) Spatial frequency reproducing method and optical distance measuring apparatus
PT814331E (en) OPTICAL TEST SYSTEM INCLUDING INTERFEROMETER WITH MICRO-MIRROR
CN104515739B (en) Optical measurement apparatus
CN108801475B (en) Wavefront detection method based on spatial frequency domain reference
US7315372B1 (en) Instrument using near-field intensity correlation measurements for characterizing scattering of light by suspensions
CN107449361B (en) Stable dual-wavelength real-time interference microscopic device and using method thereof
US20220381695A1 (en) Focus scan type imaging device for imaging target object in sample that induces aberration
TW202020400A (en) Surface shape measurement device and surface shape measurement method
US4744659A (en) Method of and apparatus for measuring the shape of a wavefront
EP3627093A1 (en) Apparatus for parallel fourier domain optical coherence tomography imaging and imaging method using parallel fourier domain optical coherence tomography
US6535276B2 (en) Method for measuring the velocity of particles in a fluid medium in motion
RU2743973C1 (en) Method for determining frequency and amplitude of modulation of a phase of a wave front generated by vibrations of a cell membrane
US20110242543A1 (en) Interferometric systems having reflective chambers and related methods
CN110160624B (en) Optical fiber point diffraction device for three-dimensional vibration measurement and measurement method
Bianchi et al. Long-range detection of acoustic vibrations by speckle tracking
KR101716452B1 (en) System and method for measuring high height by digital holography microscope
EA018804B1 (en) Interferometric system with spatial carrier frequency capable of imaging in polychromatic radiation
JP7174604B2 (en) Optical image measuring device, optical image measuring method