WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

В Главе 4 представлены результаты исследования влияния оптической анизотропии рассеивающих сред, в том числе кожной ткани, на поляризационные характеристики отраженного света, проведенные на основе представления вращательных инвариантов.

В условиях детектирования отраженного по нормали к образцу света получены простые соотношения, позволяющие определить величины, характеризующие поляризационно-зависимое ослабление и двулучепреломление среды, а также сведения о симметрии исследуемого образца в зондируемой спектральной области.

В главе также рассматривается случай, когда зондирующий пучок падает на исследуемую среду в нормальном направлении, но измеряются характеристики света, рассеянного под углом к нормали.

Такая геометрия измерений значительно более проста с точки зрения практической реализации, кроме того, эта геометрия позволяет выделить вклад объемной рассеянной составляющей, давая возможность уменьшить вклад поверхностного отражения в детектируемую часть рассеянного образцом излучения, что при исследовании биотканей бывает очень полезным.

В работе показано, что достаточно компактное и общее приближенное представление функций ||() и () в данном случае может быть получено с помощью аппроксимации этих функций рядами Фурье.

Если свойства рассеяния образца инвариантны относительно его азимутального поворота вокруг оси на 180°, то функции ||() и () могут быть представлены в виде рядов Фурье следующего вида:

(8)

Измерения 12 спектров || и при разных значениях угла позволяли рассчитать спектры коэффициентов ai||, bi||, ai и bi и спектры амплитуд гармоник qm|| и qm.

В качестве модельных рассеивающих объектов со сложными зависимостями || и от были исследованы ориентированная политетрофторэтиленовая (PTFE) пленка с гладкими поверхностями и две многослойные ленты ориентированных волокон.

На рис. 5 приведены в качестве примера результаты аппроксимации зависимостей || и от по изложенной методике.

Проведенные исследования показали, что для всех образцов достаточно хорошая аппроксимация достигается при использовании двух гармоник (m = 2, 4).

Для образцов кожи крысы значения || и c изменением меняются очень мало (в пределах ошибки измерений) во всем рассматриваемом спектральном диапазоне: все коэффициенты разложений (8), кроме q0|| и q0, во всей рассматриваемой области спектра очень близки к нулю. Таким образом, каких-либо проявлений двулучепреломления дермы и анизотропии рельефа поверхности кожи в зависимостях || и от, полученных для образцов кожи крысы в рассматриваемой области спектра не наблюдалось.

Рис. 5. Аппроксимация экспериментальных зависимостей || и от по формуле (4.2) и спектральные зависимости параметров qm|| и qm (m = 0, 2,4,6) для ленты

из ориентированных полипропиленовых волокон

Далее в главе приведены результаты апробации изложенных в главе 2 методик 1 и 2 на модельных образцах, в качестве которых выступали таблетка BaSO4 (изотропная среда), PTFE пленка (анизотропная среда с плоскостью симметрии), двухслойная система PTFE+PP (РР полипропиленовая пленка) с углом разориентации 450 (среда без плоскости симметрии), полиэтиленовая пластинка (анизотропная среда с мультидоменной структурой) и образцы цельной кожи крысы in vitro.

В Главе 5 описана методика и система микроскопического поляризационного картографирования биотканей с двулучепреломляющими элементами. Методика основана на представлении вращательных инвариантов для случая детектирования прошедшего света в схеме измерений «поляризатор - образец – анализатор». Яркость произвольного пикселя регистрируемого камерой изображения от углов ориентации поляризатора и анализатора может быть представлена в форме, аналогичной (2). В качестве анализируемых параметров вводятся характеристические углы и, которые определяются из следующих соотношений:

,,,,

и инвариантная характеристика деполяризующих свойств среды:

,

где,,,.

Далее в главе рассматривается адабатический режим распространения света в двулучепреломляющих средах, который характеризуется тем, что при падении на среду линейно поляризованной волны с плоскостью поляризации, параллельной (или перпендикулярной) главной оптической плоскости на фронтальной границе слоя, выходящий из слоя свет линейно поляризован параллельно (перпендикулярно) главной оптической плоскости на второй границы слоя.

В случае адиабатического режима характеристические углы и не зависят от длины волны света и определяются только геометрическими параметрами структуры: углом закрученности структуры и углом ориентации медленной оси у фронтальной поверхности образца :

,,,.

Кроме того, может быть оценена величина оптической разности хода

,

где толщина образца, длина волны в максимуме пропускания фильтра

Таким образом, по изображениям образца, полученным при различных ориентациях поляризатора и анализатора, рассчитываются карты параметров и характеристических углов. Полученные карты используются для характеризации образца, при этом оценка характеристик образца предполагает сравнение карт характеристических углов, полученных для различных областей спектра, то есть методика предполагает получение изображений образца с использованием различных светофильтров.

Далее в главе описан прибор, реализующий данную методику. Прибор собран на базе поляризационного микроскопа с измерительной 12-битной цифровой видеокамерой. Отличительной особенностью прибора является автокоррекция флуктуаций темнового тока и интенсивности источника, что обеспечивает высокую точность измерений.

В заключительной части главы приводятся демонстрационные примеры картографирования образцов технических сред и природных сред неорганического происхождения, поясняющие суть метода и наглядно демонстрирующих его возможности, а также результаты картографирования биотканей животоного происхождения. Показано, что для образцов кожной ткани крысы и свиньи реализуется квазиадиабатический режим распространения поляризованного света.

В Заключении сформулированы основные результаты работы и выводы.

Основные результаты и выводы:

1. На основе представления поляризационных характеристик оптически анизотропных биотканей, оперирующего с оптическими вращательными инвариантами, разработаны три оригинальные экспериментальные методики измерения поляризационно-оптических характеристик анизотропных рассеивающих сред по схеме «поляризатор-образец-анализатор» в разных геометриях детектирования рассеянного света.

Первая методика основана на измерении спектров рассеянного света при разных углах ориентации поляризатора относительно образца, используя параллельно ориентированные друг относительно друга поляризатор и анализатор. В геометрии детектирования отраженного света используется один поляризатор, служащий одновременно и поляризатором, и анализатором. В такой геометрии измерений возможно экспериментальное определение характеристические параметры образца +,,, +, -. Вращательными инвариантами являются и.

Вторая методика основана на измерении спектров рассеянного света при разных углах ориентации образца относительно поляризатора, используя ортогонально ориентированные друг относительно друга поляризатор и анализатор. В данном случае в эксперименте могут быть определены характеристические параметры -,,. Вращательными инвариантами являются и.

Третья методика базируется на совместном использовании данных, измеряемых по первой и второй методике. В эксперименте могут быть определены все восемь коэффициентов, фигурирующие в формуле (2), при этом могут быть определены значения следующих инвариантов: и.

2. В геометрии детектирования прошедшего света:

Исследования образцов ленты скотч и политетрафлюроэтиленовых (PTFE) пленок показали, что для исследования поляризационные свойства таких образцов применима простая методика, основанная на измерении зависимости параметра от угла ориентации исследуемого образца относительно плоскости поляризации зондирующего света. В частности, значения оптической анизотропии образцов ленты скотч, определенные по интерференционным полосам в спектральных распределениях параметра Р, обусловленным интерференцией поляризованных компонентов прошедшего света, и на основе разработанной методики, практически совпадают.

Приближение макроскопической модели не применимо для исследований образцов, представляющих собой слои ориентированных волокон. Анализ поляризационных свойств таких упорядоченных структур необходимо проводить на основе приближения вращательных инвариантов. Получено, что в оптическую анизотропию структур стеклянных волокон превалирующим является вклад анизотропии, обусловленной поляризационно-зависимым ослаблением проходящего света, в то время как для структур полипропиленовых волокон доминирующим является вклад, обусловленный двулучепреломлением материала волокон. Для структур волокон с двулучепреломлением (полипропиленовые волокна) имеет место спектральная зависимость параметра Р, в то время как для волокон без двулучепреломления (секлянные волокна) она отсутствует.

Для образцов цельной кожи крысы получено, что спектральные распределения зависимостей похожи на спектры для фазовых пластинок, являющиеся результатом интерференции поляризованных волн, при этом оптической анизотропии более явная выражена в инфракрасной области спектра.

Кожная ткань ведет себя как однородная фазовая пластинка, при этом средняя разность показателей преломления среды для обыкновенного и необыкновенного лучей в спектральном диапазоне 550 – 700 нм составляет величину порядка 0.00022.

3. В геометрии детектирования отраженного света:

Предложены удобные способы параметризации зависимостей характеристик рассеяния, измеряемых при раздельном детектировании ко- и кросс- поляризованных компонентов рассеянного исследуемым образцом света в случае нормального падения света на образец, от азимутальной ориентации образца. В случае детектирования света, рассеянного под углом к нормали, достаточно компактное и общее приближенное представление функций ||() и () может быть получено с помощью аппроксимации этих функций рядами Фурье.

Предложены простые методы характеризации анизотропных рассеивающих сред, основанные на исследовании поляризационных характеристик обратного рассеяния с использованием скрещенной пары поляризатор-анализатор и однополяроидной системы. При поляризационно-спектральных измерениях предложенные способы параметризации позволяют компактно характеризовать образцы с низкой симметрией оптических свойств, в том числе биоткани, с помощью спектров небольшого числа специальных параметров, не зависящих от азимутальной ориентации образца.

4. Развита методика микроскопического поляризационного картографирования биотканей с двулучепреломляющими элементами, основанная на формировании компьютерных изображений объекта, сформированных из его изображений при различных ориентациях поляризатора и анализатора, и позволяющая исследовать анизотропные среды с азимутальной вариацией локальной оптической оси в направлении распространения зондирующего света.

Методика реализована в новом приборе с автокоррекцией флуктуаций темнового тока и интенсивности источника, что обеспечивает высокую точность измерений.

5. В ряде биотканей, проявляющих двулучепреломление, поляризованное излучение распространяется в квазиадиабатическом режиме. Это позволяет с помощью разработанной методики оценивать эффективную разность хода ортогонально поляризованных волн и определять локальную ориентацию оптических осей на внешних границах анизотропных участков образца.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Ovchinnikova, I. A. / Effect of the skin anisotropy on residual polarization of transmitted light with initial linearly polarization / I. A. Ovchinnikova, Yu. P. Sinichkin, A. V. Spivak, D.A. Yakovlev, D. A. Zimnyakov // Proc. SPIE. - 2005. - Vol. 5772. – P. 114-121.

2. Pravdin, A. B. / Mapping of optical properties of anisotropic biological tissues /A. B. Pravdin, D. A. Yakovlev, A. V. Spivak, V. V. Tuchin // Proc. SPIE. – 2005. - Vol. 5695. – Р. 303-310.

3. Синичкин, Ю. П. / Влияние оптической анизотропии рассеивающих сред на состояние поляризации рассеянного света / Ю. П. Синичкин, Д. А. Зимняков, Д. А. Яковлев, И. А. Овчинникова, А. В. Спивак, О. В. Ушакова // Оптика и спектроскопия. – 2006. – Т. 101. - № 5. – С. 862-871.

4. Spivak, A.V. / Single-polarizer method for measurement of polarization characteristics of incoherent backscattering from anisotropic media / A. V. Spivak, O. A. Druzhina, Yu. P. Sinichkin, D. A. Yakovlev // Proc. SPIE. – 2007. - Vol. 6535. – 653601.

5. Спивак, А. В. / Кросс-поляризационный метод исследования поляризационных характеристик обратного рассеяния анизотропных сред / А. В. Спивак, О. А Дружина, Ю. П. Синичкин, Д. А. Яковлев // Проблемы оптической физики. Материалы 10-й международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике. Изд-во «Новый ветер», Саратов, 2007. – С. 155-161.

6. Спивак, А. В. / Система микроскопического полризационного картографирования двулучепреломляющих биотканей / А. В. Спивак, Ю. П. Синичкин, Д. А. Яковлев // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2009: Материалы ежегод. Всерос. науч. школы-семинара. Изд-во Саратов. ун-та, Саратов, 2009, - С. 178-180.

7. Синичкин, Ю. П. / Простые параметрические представления поляризационно-оптических свойств двулучепреломляющих биотканей в рамках методов отражательной поляризационной спектроскопии / Ю. П. Синичкин, А. В. Спивак, Д. А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. – 2009. – Т. 107. - №6. – С. 924-935.

Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»